引力波

引力波 圖片來自优酷

引力波，在物理学中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。换句话说，引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。 1916年，[[爱因斯坦]基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下，引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中，因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。 各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中，比如 advanced LIGO（aLIGO）从2015年9月份开始运行观测。 可能的引力波探测源包括致密双星系统（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号 。 2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。 同年12月，入选“汉语盘点2017”活动年度候选字词五大候选国际词。

目录

简介

在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应，这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候，曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速物体能够对这个曲率产生变化，并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波，也可以理解为：一个大质量天体产生的引力，影响一定范围内比它质量小的天体，使它们产生负值的加速度，它们运动轨迹所形成的曲率变大，并且释放能量的现象。根据开普勒定律推导出：物体运动的速度和它运动轨迹所形成的曲率成反比。 当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变（strain）效应，观测者就会发现时空被扭曲。当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少，这个频率等于这个引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。绕转的双中子星系统被预测，在当它们合并的时候，是一个非常强的引力波源，由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小，形变效应小于1.0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。最为灵敏的探测是aLIGO，它的探测精度可以达到1.0E-22。更多的空间天文台（欧洲航天局的eLISA计划，中国的中国科学院太极计划，和中山大学的天琴计划）正在筹划当中。 引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式，比如光学望远镜和射电望远镜，所观测到，所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。尤其，引力波更为有趣的是，它能够提供一种观测极早期宇宙的方式，而这在传统的天文学中是不可能做到的，因为在宇宙再合并之前，宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以，对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。

评价

中国主要有三个大型引力波探测项目，一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士作为首席科学家的太极计划，它非常类似于欧洲eLISA计划。另外一个太空计划是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”，相比较太极，它将位于地球之上的10万公里轨道处，三个卫星的间距也是大约在10万公里之上。第三个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，阿里实验计划是在计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望远镜，从地面上欣赏原初引力波的彩虹。这些项目还处在预研阶段。 这些探测都是利用激光干涉的方式。而我们的宇宙本身就已经“创造”出了一种探测工具 — 毫秒脉冲星，它们是大质量恒星发生超新星爆炸形成的高速旋转的致密天体。这些极其稳定的恒星是自然界中最精确的时钟，像灯塔一样每“滴答”一次就向地球扫过一组信号。引力波可以通过虽然非常细微，但还是能够察觉到的时间涨落而探测到。这就是脉冲星计时（Pulsar Timing）的方法。中国正在建设的500米口径望远镜，以及国际上正在建设的平方公里阵(SKA)射电望远镜，都将监测脉冲星，从而探测引力波的存在。 引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一：不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二：引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。然而，比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡，引力波能够不受阻碍的穿过。这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息。 从爱因斯坦在1916年预测出引力波，到2015年LIGO获得直接观测证据，整整跨越了一百年。在这一过程中，中国科学家也在不断寻觅、追求。早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究，可惜因种种原因停滞了十几年，造成了人才断层。直到2008年，在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下，中科院空间引力波探测工作组成立，引力波的中国研究再启征程。 在过去的一个世纪，因为新的观测宇宙的方法使用，天文学已经发生了改革性的变化。天文观测最初使用可见光。400多年前，伽利略最早使用望远镜进行观测。然而，可见光仅仅是电磁波谱上的一小部分，在遥远的宇宙中，并非所有的天体会在这个特别的波段产生很强的辐射，比如，更有用的信息或许可以在射电波段得到。利用射电望远镜，天文学家们已经发现了脉冲星，类星体以及其他的一些极端天体现象，将我们对一些物理的认识推向了极限。利用伽马射线，X射线，紫外，和红外观测，我们也取得了类似的进展，让我们给天文带来了新的认识。每一个电磁波谱的打开，都会为我们带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。

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什么是引力波?

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