如何直观的解释引力波是什么?
爱因斯坦认为质量在四维时空中产生影响。时空会在大质量物体(如太阳或黑洞)的影响下弯曲。著名的引力场方程是用数学语言表达的。等号的左边部分揭示了时空的曲率,右边部分描述了物质的分布。物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒解释说:?物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何移动。。引力波是时空弯曲的转移现象。
1.引力波是如何提出的?
爱因斯坦想象引力来自于空间的弯曲。当受重力作用的物体改变形状时,会在空间中引起涟漪。当这些涟漪穿过地球时,我们的局部空间会随之波动吗?抖动?被拉伸或挤压。但是这种影响非常微弱,因为引力是一种微弱的力。
日常生活中引力拉伸的程度很小。如果我们看到两辆车擦肩而过,我们也会发出引力波,但只是能量无穷小。即使地球围绕太阳转,或者两颗恒星相互绕转,它们发出的引力波也达不到可探测的程度。
1916年6月,爱因斯坦向柏林普鲁士科学院提交了一篇具有里程碑意义的论文《引力场方程的近似积分》,这是科学史上第一部预言引力波的著作。
爱因斯坦的理论认为,不同的引力波源会有不同的频率和振幅。例如,两个轨道距离非常近的黑洞每秒完成100个周期,它们发出的引力波频率为200Hz。对于远离黑洞的观测者来说,每秒钟有200个峰值经过。因为引力波以光速传播,对应的波长是1500 km。
引力波的振幅是其强度的量度,是时空被拉伸和压缩的程度。振幅与观测者到双黑洞的距离成反比,与黑洞的质量和彼此周围的加速度成正比。如果两个黑洞螺旋靠近,引力波的振幅和频率会同时增加。
当时很多科学家都没有重视,认为引力波太弱,即使存在也探测不到。天文学家阿瑟·爱丁顿认为引力波只是广义相对论的一个数学奇解,没有物理意义。
1955年爱因斯坦去世后不久,学术界观点开始转变,尤其是在理论物理学家皮兰尼等人证明引力波携带能量之后。引力波从此进入了真实物理现象的范畴,剩下的问题是?俘获?他们...
应该说明引力波是?空间密度?涟漪的三维传播,即在空间的所有方向上,在一个方向上可能比其他方向更强。任何天体对引力波的传输都是透明的,不受阻碍的。
引力波形象化的直观方式是,引力波的空间密度波纹非常类似于穿过一个轻轻晃动的果冻,果冻代表空白空间。
二、引力波是如何被探测和确认的?
2065438年2月11日,美国引力波天文台在华盛顿特区的新闻发布会上宣布,LIGO(激光干涉仪引力波天文台)探测器?俘获?引力波。引力波来自距离我们13亿光年的两个黑洞的碰撞,命名为GW150914。LIGO是加州理工学院理论物理学教授基普·索恩和他的同事、物理学家雷纳·韦斯和罗奈尔特·德雷弗的构想。
LIGO有两个类似的探测器,相距约3000公里,一个在华盛顿州的汉福德,另一个在路易斯安那州的利文斯顿。它们具有极高的灵敏度,测时精度为10-18秒。
LIGO探测到的第一个引力波信号来自一个遥远的双黑洞事件。这种波在太空中以光速传播,大约在6.5438亿年前闯入我们的星系。当它在银河系中接近地球时,它向恒星和行星发送了微小的信号。
2014年9月15日,世界时09:50:45,第一次引力波到达地球。在不到1秒的时间里,地球被这一系列的时空涟漪拉伸压缩了10 21,这仅仅是一个质子直径的十分之一。地球上的一切也随之膨胀和收缩。LIGO探测器记录下了这种微小的振动。很快,一切又恢复了平静。引力波继续向前传播。1.3秒后,它们穿过月球轨道,几个小时内,它们离开太阳系,继续扭曲途中的一切。
这个被命名为GW150914的图表显示,引力波信号的真实测量值是基于分别具有36和29个太阳质量的双黑洞合并的理论。预测?这些值几乎完全匹配。这听起来很神奇,但却是一门严谨的科学。
LlGO组织解释说,随着双黑洞的靠近,相互自转的速度加快,强烈的加速度使得引力波的振幅增大,轨道周期越短意味着频率越高。最终,两个黑洞以极高的速度合并成一个更大的黑洞,其质量约为太阳的62倍。另外三倍太阳质量转化为时空曲率能量(e = MC ^ 2),以巨大引力风暴的形式发射出去。
黑洞会弯曲周围的时空,时空的曲率代表了一定的能量。根据广义相对论,能量相当于质量,所以能量产生额外的弯曲。
从那以后,已经记录了几次引力波。例如,第二个引力波信号GW151226的波形与太阳质量分别为14.2倍和7.5倍的两个黑洞合并的预期理论波形相吻合,这两个黑洞合并源于距离地球14亿光年的两个黑洞合并。
今天,新一代更强大的引力波探测器aLIGO已经在试运行。用什么?处女座星系团?被命名的意大利处女座探测器已经加入了LIGO-处女座联合系统。
欧洲航天局的LISA Pathfinder已经发射,计划在太空中探测引力波,这更像是太空版的LIGO。日本国家天文台的KAGRA Kamoka引力波探测器今年与Virgo处女座合作,欧洲引力天文台的GEO600也加入了合作。印度人?LIGO-印度?该探测器计划于2024年投入运行。
中国科学院也制定了一个项目叫?太空太极?天基探测计划将在2030年左右发射一颗引力波卫星群,计划直接探测太空引力波。这标志着中国的天文学研究达到了一个新的高度。