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引力波是什么鬼?让科学家如此兴奋

2019-06-23来源:中国电动工具网
引力波是什么鬼?让科学家如此兴奋

人类首次直接探测到了引力波


引力波的存在曾让雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩成功摘得2017年的物理学诺贝尔奖。然而这种高大上的存在却没有让我们明白其中的厉害。要弄明白引力波,首先需要了解引力。

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illustration of Isaac Newton

引力是什么你?是牛顿被苹果砸后提出的万有引力,我们中学物理课本中的常数,是曾经熟悉的公式?以前是的。

但是到了20世纪,有人提出了这样一个问题,引力的作用的瞬时的吗?这个人就是爱因斯坦,然后他自己回答了这个问题:引力的作用,不是瞬时的,它是按光速传播的。

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水旋转扭曲

相对论为我们描述了另外一种概念的引力,引力是质量对时空的弯曲。即物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。对万有引力的理解,可以比喻为在一块平坦的布上,中间放一个大质量的小球,小球造成了布中间的凹陷,即平滑的布有了凹陷,时空被扭曲;如果附近在放一个球,这个扭曲的布面会影响这样新放的小球,使之向第一个小球靠近,这就是时空告诉物质如何运动。这种影响类似于场的概念,物质对时空的弯曲,我们称之为引力。如果在布上的小球做加速运动,布将被抖出一串串涟漪,我们将空间中加速运动的物体,向外以光速传播的扭曲空间现象,称之为引力波。

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旋涡式星体或黑洞,可以与另一个连接一个宇宙的漏斗状隧道

引力波既然是一种时空的扭曲,那应该大大影响着人们的日常生活。事实不是这样的,因为引力波实在太小太小了,别说感受,连测量都感到困难,所以这几位科学家测量到引力波的存在就获得诺贝尔奖了。

引力波有多小呢?我们从自然界的四个力说起,目前为止,宇宙中的所有可以观察到的物理现象,都可以分为四种最基本的相互作用:引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。除引力外的另外三种作用力老早就被探测到,并证实存在了,而引力一直是存在于理论上,因为它太小,太难以测量了。因为与他们相比,引力只有弱力的10的25次方分之一,只有电磁力和强力的10的36次方分之一与10的38次方分之一。这么小的力,可想而知准确探测到的难度有多大。

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地球上的重力波

于是科学家们制造LIGO,即激光干涉引力波天文台。有了设备还是不行,因为引力波实在太小,我们需要等待机会,等超大天体合并,如中子星合并或者黑洞合并时释放出的惊天动地的引力波时,再来测量。虽然说是惊天动地,但是两个黑洞合并,到达地球的引力波也是微乎其微,振幅大概在10的负21次方左右,这种尺度的信号,细菌打一个隔都比它大好几个数量级。为了测量这种超精细信号,科学家们利用了激光干涉原理,只要有一个微小扰动,干涉图样就会发生变化。可是地球上乱七八糟的干扰信号这么多,怎么区分呢?科学家想出了一个绝妙的解决方法,在3000公里外的地方,造一个一模一样的LIGO,然后通过超级计算机对两个LIGO系统收到的数据进行比对分析,排除干扰信号。如果出现能同时影响两个设备的相同信号,那么基本就可以判断来自太空了。

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天文观测台望远镜室内晚上

引力波的测定虽然对我们生活影响不大,但是它证明了爱因斯坦相对论的正确,为我们基础物理的研究指明了方向,是一个里程碑式的事件,同时它测量所用的方法,也很有借鉴意义。

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