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了解引力波:让我们从13亿年前谈起——  

2017-11-01 17:46:52|  分类: 【相对论集】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                           视频:光速离开地球137亿年是一种怎样的体验?

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    2016年2月12日,LIGO合作组宣布,他们于2015年9月14日探测到了引力波,它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞,然后并合为一个62太阳质量的黑洞,失去的3太阳质量转化为引力波的能量。“太阳质量”是天体质量的单位,1个太阳质量意思就是说,它的质量等于太阳的质量。13亿年前,宇宙中有两个黑洞相互碰撞,而且并合成一个大黑洞,发出引力波。引力波以光速向四周传播,经过13亿年在各个方向的长途跋涉,于2015年9月14日穿过诞生于45亿年前的地球。在地球上,人类的演化历史,也只不过200多万年。100年多前,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)声称宇宙中存在引力波。2002年 LIGO开始工作,13年后探测到代号为GW150914的引力波,事实上,在这个引力波到达两天前,升级后的LIGO刚开始工作,9月14日恰好捕捉到它,这是人类第一次直接探测到引力波。

  波是某种振动的传播,如水波、声波等。顾名思义,引力波就是“引力的波”。引力波超越了牛顿引力理论。三百多年前,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)说,任何两个有质量的物体之间存在万有引力,而且这个引力是瞬时的,也就说,物体之间引力的传递不需要时间。牛顿解释了为什么地球围绕太阳转,为什么树上的苹果会落地。
    然而爱因斯坦1905年创立的狭义相对论指出,任何信号的传递不可能超过光速,时间和空间成为整体,称为时空。在相互匀速运动的不同观察者看来,同一事件的时间坐标和空间坐标都不一样,但是总的时空间隔保持不变。十年之后,爱因斯坦又将引力纳入相对论的框架,创立广义相对论,指出万有引力就是时空的弯曲,由此决定物质的运动。用索恩的导师、美国著名物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的话说,“物质告诉时空如何弯曲;弯曲的时空告诉物质如何运动。”物质之间的引力,需要时间来传递。

   星体(比如太阳与地球)之间的引力来自时空的弯曲,图片来自LIGO星体(比如太阳与地球)之间的引力来自时空的弯曲, 这就好比在席梦思床垫上,一个物体引起床垫变形,变形向四周传递,导致另一个物体受力情况的改变,似乎受到前一个物体的吸引力。这个床垫扮演了类似时空的角色。1916年,爱因斯坦根据广义相对论,预言了引力波。

  引力源质量分布的改变,导致它对其他物体引力的改变,这种改变以光速传播开来,就是引力波。既然引力是时空弯曲,那么引力波也就是“时空的涟漪”,即时空弯曲情况随时间变化、在空间传播。引力波到达之处,在垂直于传播方向的平面上,任何长度都会振荡,而且在互相垂直的任意两个方向上步调相反。这些都是广义相对论的预言,所以引力波的观测也就验证了广义相对论。  通常物体间的引力很弱。但宇宙天体的质量巨大,所以它们之间的引力很大。理论表明,引力波主要来自宇宙中的超新星爆发、中子星和黑洞等致密天体以及宇宙大爆炸。引力波很难探测,因为最强的引力波导致的相对长度变化也只有0.0…01(其中小数点后面有21个0)。
 
 LIGO探测到引力波,意义不仅在于直接验证广义相对论预言的引力波的存在,还在于开启了对强引力、随时间变化的引力以及黑洞的直接观测,打开了认识宇宙的一个新窗口。在这之前,我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和粒子,如宇宙线和中微子,而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息。引力波天文台与传统天文望远镜协同观测中子星并合表明,引力波和电磁波的探测可以协同进行,标志着多信使天文学的开始。 

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