引力波和電磁波兩者之間的關(guān)系
引力波和電磁波到底這兩者之間有著怎樣的關(guān)系?而對(duì)于引力波又是什么來的呢，對(duì)此引力波是什么?引力波是電磁波到底如何?下面一起來看看吧。
引力波是不是電磁波
什么是“引力波”
在講引力波之前，我們先說說大家更為熟知的電磁波。
100 多年前人類發(fā)現(xiàn)了電磁波，后來我們擁有了微波爐、手機(jī)信號(hào)、WIFI和GPS定位系統(tǒng)。
和電磁波類似，就萬有引力的認(rèn)識(shí)，愛因斯坦這個(gè)科學(xué)巨人認(rèn)為牛頓之前的理解太naive，在愛因斯坦的相對(duì)論中，認(rèn)為萬有引力是一種跟電磁波一樣的波動(dòng)，稱為引力波。
如果無法想象理解我們換個(gè)說法。愛因斯坦認(rèn)為引力是由于時(shí)空的扭曲產(chǎn)生的。
就像是一個(gè)鐵球放在一塊平鋪的毯子上。球放上去，毯子中間會(huì)凹陷進(jìn)去(時(shí)空扭曲)，鐵球越重(天體質(zhì)量越大)，凹陷就會(huì)越厲害(時(shí)空扭曲越嚴(yán)重)。
而如果這個(gè)鐵球是運(yùn)動(dòng)的，“凹陷”這個(gè)狀態(tài)便會(huì)向周圍傳播開去，就像是平靜的水池里丟進(jìn)了一顆小石頭。那么，如果有兩個(gè)這樣的鐵球相互“旋轉(zhuǎn)，跳躍，我閉著眼”呢?
就像上圖所示，那種凹陷的狀態(tài)會(huì)以波的形式向外傳遞開去。起伏，震顫，波浪……你可以用各種各樣的詞形容你在上圖看到的“時(shí)空擾動(dòng)”。這種變化以波的形式向外傳播，用聽起來很厲害的說法講，就是“引力波”，換文藝點(diǎn)的說法講，就是“時(shí)空的漣漪”。
但是，愛因斯坦當(dāng)時(shí)這個(gè)想法并沒有得到廣泛認(rèn)可和證實(shí)。
“引力波”有什么用
首先明確一點(diǎn)，它不能吃，嗯。
然后，由于引力波與物質(zhì)的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會(huì)像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時(shí)形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播，這為直接觀測(cè)大爆炸提供了僅有的可能。
我們可以通過引力波，去窺探宇宙最深處、最原始的奧秘了，甚至是看到宇宙的源頭!
當(dāng)然，還有很重要的一點(diǎn)就是：證明愛因斯坦老爺子的猜想是對(duì)的!
3我們?cè)趺刺綔y(cè)到它
引力波非常難以測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)他們到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)變得非常非常非常弱了……
但是，這沒有難倒智慧勇敢的地球人!地球人發(fā)明了激光干涉測(cè)量的方法!
簡(jiǎn)單地說通過測(cè)量?jī)蓷l激光束相遇的時(shí)候所形成的干涉圖樣的變化來探測(cè)引力波。這些圖樣依賴于激光束的傳播距離，當(dāng)引力波穿過時(shí)會(huì)引起激光束的傳播距離微小變化，通過干涉圖樣的變化便可以看出來了。(嗯，如果你本科做過物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)……你懂的)
這種稱之為激光干涉計(jì)的探測(cè)器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。現(xiàn)在世界上有LIGO和GEO 600這兩個(gè)工具，用來測(cè)量引力波即時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)。因?yàn)樘綔y(cè)器需要尋找的是很微弱的信號(hào)，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相當(dāng)大。
而宣布探測(cè)到引力波的那個(gè)家伙有多大呢?橫豎都是4km，你們感受一下。
位于華盛頓州漢福德的一臺(tái)LIGO。另一臺(tái)LIGO在美國(guó)路易斯安那州的列文斯頓。圖片來源：i2u2.org
但是即使是這樣大的尺寸還顯得很捉急，它每年能遇見的引力波事件大概在萬分之一件到一件之間，你看這花了幾十年才探測(cè)到一次。此生為了遇見你，愿花光我平生所有運(yùn)氣，這大概就是這群科學(xué)家們的最佳BGM……4我們?yōu)樯哆@么雞凍
美國(guó)LIGO的科學(xué)家說：“所有信號(hào)都與愛因斯坦100年前所做的預(yù)言完全吻合”。愛因斯坦，你真的不是上一個(gè)宇宙文明發(fā)配到地球指點(diǎn)迷津的??
在電磁波被發(fā)現(xiàn)100多年以后的今天，引力波被找到了。它是唯一可以在高維時(shí)空中傳遞的波，引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個(gè)幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達(dá)到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程。
可以想象，在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時(shí)，主人公庫(kù)珀身處一個(gè)5維時(shí)空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時(shí)空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應(yīng)，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。說不定在不遠(yuǎn)的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。
或者和科幻小說《三體》中描述的那樣，引力波被人類用于星際通訊領(lǐng)域，小說里的幻想會(huì)變成現(xiàn)實(shí)嗎?
也許你要說，哎，都是科學(xué)界的事兒，跟偶們好像沒什么影響哦!
大錯(cuò)特錯(cuò)!
連兩個(gè)黑洞都玩著玩著就在一起了，然后產(chǎn)生引力波發(fā)射到地球。這算不算有史以來，在情人節(jié)前夕對(duì)單身狗最猛烈的一次沖擊?!
引力波
各種各樣的引力波探測(cè)器正在建造或者運(yùn)行當(dāng)中，比如 advanced LIGO(aLIGO)從2015年9月份開始運(yùn)行觀測(cè)。
可能的引力波探測(cè)源包括致密雙星系統(tǒng)(白矮星，中子星和黑洞)。在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團(tuán)隊(duì)宣布他們已經(jīng)利用高級(jí)LIGO探測(cè)器，已經(jīng)首次探測(cè)到了來自于雙黑洞合并的引力波信號(hào) 。
2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 (UTC)，位于美國(guó)漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺(tái)引力波探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了一個(gè)引力波信號(hào);這是繼 LIGO 2015年9月14日探測(cè)到首個(gè)引力波信號(hào)之后，人類探測(cè)到的第二個(gè)引力波信號(hào)。
在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年 ，愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對(duì)論洛倫茲不變性的結(jié)果，因?yàn)樗肓艘肓讼嗷プ饔玫膫鞑ニ俣扔邢薜母拍睢Ｏ啾戎?，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當(dāng)中，因?yàn)榕ｎD的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無限的。
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在過去的六十年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無數(shù)努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實(shí)驗(yàn)證據(jù)——脈沖雙星 PSR1913+16。1974年，美國(guó)麻省大學(xué)的物理學(xué)家家泰勒(Joseph Taylor)教授和他的學(xué)生赫爾斯(Russell Hulse)利用美國(guó)的308米射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號(hào)，我們可以無比精準(zhǔn)地知道兩顆致密星體在繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時(shí)他們軌道的半長(zhǎng)軸以及周期。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)兩個(gè)致密星體近距離彼此繞旋時(shí)，該體系會(huì)產(chǎn)生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會(huì)越來越少，軌道半徑和周期也會(huì)變短。
泰勒和他的同行在之后的30年時(shí)間里面對(duì)PSR1913+16做了持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果精確地按廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長(zhǎng)軸每年縮短3.5米。廣義相對(duì)論甚至還可以預(yù)言這個(gè)雙星系統(tǒng)將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據(jù)，是對(duì)廣義相對(duì)論引力理論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，類似的雙中子星系統(tǒng)只已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了將近10個(gè)。但是此次發(fā)布會(huì)中的雙黑洞系統(tǒng)卻從來沒被發(fā)現(xiàn)過，是首次。
在實(shí)驗(yàn)方面，第一個(gè)對(duì)直接探測(cè)引力波作偉大嘗試的人是韋伯(Joseph Weber)。早在上個(gè)世紀(jì)50年代，他第一個(gè)充滿遠(yuǎn)見地認(rèn)識(shí)到，探測(cè)引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測(cè)方案的設(shè)計(jì)中。最終，韋伯選擇了一根長(zhǎng)2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來的方向。該類型探測(cè)器，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測(cè)器：當(dāng)引力波到來時(shí)，會(huì)交錯(cuò)擠壓和拉伸鋁棒兩端，當(dāng)引力波頻率和鋁棒設(shè)計(jì)頻率一致時(shí)，鋁棒會(huì)發(fā)生共振。貼在鋁棒表面的晶片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。共振棒探測(cè)器有很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長(zhǎng)度來調(diào)整共振頻率。但是對(duì)于同一個(gè)探測(cè)器，只能探測(cè)其對(duì)應(yīng)頻率的引力波信號(hào)，如果引力波信號(hào)的頻率不一致，那該探測(cè)器就無能為力。此外，共振棒探測(cè)器還有一個(gè)嚴(yán)重的局限性：引力波會(huì)產(chǎn)生時(shí)空畸變，探測(cè)器做的越長(zhǎng)，引力波在該長(zhǎng)度上的作用產(chǎn)生的變化量越大。韋伯的共振幫探測(cè)器只有2米，強(qiáng)度為1E-21的引力波在這個(gè)長(zhǎng)度上的應(yīng)變量(2E-21米)實(shí)在太小，對(duì)上世紀(jì)五六十年代的物理學(xué)家來說，探測(cè)如此之小的長(zhǎng)度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測(cè)器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河，在他之后，很多年輕且富有才華的物理學(xué)家投身于引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)中。
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