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2分钟解释:什么是引力波?为什么对引力波如此的难以捉摸?

什么是引力波?

引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。

2分钟解释:什么是引力波?为什么对引力波如此的难以捉摸?

两个合并黑洞产生引力波的计算机模拟

在美国进行LIGO实验的科学家首次探测到时空结构中难以捉摸的涟漪,即引力波。毫无疑问,这一发现是过去100年来最具突破性的物理学发现之一。但它们是什么呢?

牛顿提出两个物体之间存在引力

为了更好地理解这种现象,让我们回到几百年前。牛顿在1687年发表了他的《Philosophiæ哲学的数学原理》,他认为重力的两个物体之间的引力,地球和月球或两个豌豆放在桌子上面。然而,当时对这种力量如何传播的性质还不太了解。事实上,引力定律本身直到1798年英国科学家亨利·卡文迪许在测量地球密度时才得到验证。

爱因斯坦提出时空

快进到1916年,爱因斯坦向物理学家提出了一种新的思考空间、时间和引力的方法。以1905年发表的著作为基础,广义相对论把我们通常认为是独立的实体——空间和时间——联系在一起,形成了现在所谓的“时空”。

时空可以被认为是宇宙的结构。这意味着所有的运动,通过它。在这个模型中,任何有质量的物体都会扭曲时空结构。质量越大,失真越大。而且由于每一个运动的物体都是在时空中运动的,它也会跟随大质量物体造成的变形。

考虑这个问题的一种方法是考虑两个孩子,一个比另一个重,在蹦床上玩。如果我们把蹦床的表面当做布料,那么更大的孩子对布料的扭曲程度就会更大。如果一个孩子把球放在另一个孩子的脚附近,那么球就会滚向他们的脚,或者沿着扭曲的方向滚向他们的脚。同样地,当地球绕着太阳转的时候,太阳的巨大质量扭曲了它周围的空间,使得我们这个相对较小的行星尽可能地沿着一条“直线”轨道运行,但却是在一个弯曲的空间里。这就是为什么它最终绕着太阳转。

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蹦床解释引力

解释引力波

如果我们能理解蹦床这个例子,那么我们就有了重力的基础。转向引力波是一个很小但非常重要的步骤。让蹦床上的一个孩子把一个重物拉过蹦床表面。这在表面产生了可以观察到的波纹。另一种形象化的方法是考虑让你的手在水中移动。波纹或波从它们的起源扩散开来,但很快就衰减了。

任何在时空结构中运动的物体都会在该结构中产生波动。不幸的是,这些涟漪也会很快消失,只有最剧烈的事件才会产生足以在地球上被探测到的扭曲。从这个角度来看,两个质量都是太阳质量十倍的黑洞相互碰撞会产生一种波,当它到达地球时,会造成原子直径1%的扭曲。在这个尺度上,地球直径的变化幅度为0.0000000000001m,而潮汐隆起造成的变化幅度为1m。

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这幅图可以解释引力波

引力波可以用来做什么?

鉴于这些涟漪如此之小,又如此难以探测,我们为何要如此努力地去寻找它们呢?我们又为何要关注于发现它们呢?两个直接的原因浮现在我的脑海中(我将把我自己仅仅想知道的兴趣放在一边)。其一是100年前爱因斯坦就预测到了。因此,证实引力波的存在为他的广义相对论提供了进一步的强有力的观测支持。

此外,这一发现的证实还可能开辟引力波天文学等物理学的新领域。通过研究引力波的发射过程——在这个例子中是两个正在合并的黑洞——我们可以看到宇宙中暴力事件的细节。

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计划中的天基激光干涉仪LISA可以详细研究引力波的天体物理源

然而,要充分利用这种天文学,最好是把探测器放在太空中。基于地球的LIGO利用激光干涉技术成功地捕捉到了引力波。这项技术的工作原理是将激光束分成两个垂直的方向,并将每个方向的激光束送入一个长长的真空隧道。然后这两条路径被镜子反射回它们开始的地方,也就是放置探测器的地方。如果波在传播过程中受到引力波的干扰,重新组合的光束将与原来的光束不同。然而,计划在未来10年使用的天基干涉仪将使用跨越100万公里的激光武器。

既然我们知道引力波的存在,我们希望引力波能够打开一扇门,解答一些科学界最大的谜团,比如宇宙的大部分是由什么构成的。宇宙中只有5%是普通物质,27%是暗物质,其余68%是暗能量,后两者被称为“暗”,因为我们不知道它们是什么。引力波现在可能提供了一种工具,可以用类似于x射线和核磁共振成像(MRI)的方法来探测这些神秘现象。

总结:我们上面文章解释了什么是引力,因为必须有引力才有波,时空弯曲中的涟漪,就称为引力波!