引力波 

   英文:(Gravitational wave)，中國(guó)臺(tái)灣學(xué)界稱為重力波，英文中有時(shí)也寫(xiě)作 gravity wave;但更多場(chǎng)合中，gravity wave是留給地球科學(xué)與流體力學(xué)中另一種性質(zhì)迥異的波動(dòng)。

   關(guān)于萬(wàn)有引力的本質(zhì)是什么，牛頓認(rèn)為是一種即時(shí)超距作用，不需要傳遞的"信使"。相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦則認(rèn)為是一種跟電磁波一樣的波動(dòng)，稱為引力波。引力波是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以行進(jìn)波的形式向外傳遞。引力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星系中輻射出來(lái)的現(xiàn)象。電荷被加速時(shí)會(huì)發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時(shí)就會(huì)發(fā)出引力輻射，這是廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要預(yù)言。

   流體力學(xué)中，重力波(gravity wave)是指液體介質(zhì)內(nèi)或兩種介質(zhì)面間的一種波。當(dāng)液體表面或內(nèi)部液團(tuán)由于密度差異離開(kāi)原來(lái)位置，在重力(gravity force)和浮力(buoyancy force)的綜合作用下，液團(tuán)會(huì)處于上下振動(dòng)以達(dá)到平衡的狀態(tài)。即產(chǎn)生波動(dòng)。

   美國(guó)科研人員2016年2月11日宣布，他們利用激光干涉天文臺(tái)(LIGO)于去年9月探測(cè)到。這一發(fā)現(xiàn)印證了物理學(xué)大師愛(ài)因斯坦100年前的預(yù)言。

基本信息

• 中文名稱

• 外文名稱

  Gravitational wave

• 別稱

  Gravity wave

• 提出者

  美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授J·韋伯

• 提出時(shí)間

  1959年

• 應(yīng)用學(xué)科

  物理學(xué)

• 適用領(lǐng)域范圍

  天文學(xué)

折疊編輯本段存在性

   存在而且也真的*，是廣義相對(duì)論中一項(xiàng)毫不模糊的預(yù)言。所有相互競(jìng)爭(zhēng)而且被"認(rèn)可"的重力理論(認(rèn)可：與現(xiàn)前可得一切證據(jù)能達(dá)到相當(dāng)準(zhǔn)確度的相符)所預(yù)言的引力輻射特質(zhì)即各有千秋；而原則上，這些預(yù)言有時(shí)候和廣義相對(duì)論所預(yù)言的相差甚遠(yuǎn)。但很不幸地，要確認(rèn)引力輻射的存在性就已相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，更不用說(shuō)要研究它的細(xì)節(jié)。

折疊編輯本段性質(zhì)介紹

   是以波動(dòng)形式和有限速度傳播的引力場(chǎng)。按照廣義相對(duì)論，加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生。

   的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波；有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)；攜帶能量；在真空中有超距作用等。攜帶能量，應(yīng)可被探測(cè)到 。但的強(qiáng)度很弱，而且，物質(zhì)對(duì)的吸收效率極低，直接探測(cè)極為困難。曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)到了，但未得到*。天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)雙星軌道參數(shù)的變化來(lái)間接驗(yàn)證的存在 。例如，雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過(guò)程，都能輻射較強(qiáng)的。我們所預(yù)期在地球上可觀測(cè)到的zui強(qiáng)會(huì)來(lái)自很遠(yuǎn)且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動(dòng)(例子包括兩顆中子星的對(duì)撞，或兩個(gè)極重的黑洞對(duì)撞)。這樣的波動(dòng)會(huì)造成地球上各處相對(duì)距離的變動(dòng)，但這些變動(dòng)的數(shù)量級(jí)應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO偵測(cè)器的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。這樣的案例應(yīng)該可以指引出為什么偵測(cè)是十分困難的。

折疊編輯本段偵測(cè)情況

折疊天文學(xué)家們宣布探測(cè)到原初

    據(jù)新浪科技訊報(bào)道，北京時(shí)間2014年3月18日消息，天文學(xué)家們宣布探測(cè)到了原初，這是138億年前創(chuàng)造宇宙的大爆炸中產(chǎn)生的痕跡。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是一項(xiàng)科學(xué)界的重要里程碑。但當(dāng)?shù)貢r(shí)間2015年1月29日，BICEP2觀測(cè)站宣布他們?nèi)ツ?月觀測(cè)到的已被證實(shí)來(lái)自宇宙的塵粒，而非原初。

折疊"間接"證據(jù)支持的存在

   雖然引力輻射并未被清清楚楚地"直接"測(cè)到，然而已有顯著的"間接"證據(jù)支持它的存在。zui的是對(duì)于脈沖星(或稱波霎)雙星系統(tǒng)PSR1913+16的觀測(cè)。這系統(tǒng)被認(rèn)為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對(duì)方。其并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近(in-spiral)，旋近時(shí)率恰好是廣義相對(duì)論所預(yù)期的值。對(duì)于這樣的觀測(cè)，zui簡(jiǎn)單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對(duì)論一定是對(duì)這種系統(tǒng)的重力輻射給出了準(zhǔn)確的說(shuō)明才得以如此。泰勒和赫爾斯因?yàn)檫@些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

   1959年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授J·韋伯發(fā)表了證實(shí)存在的消息，這引起了世界物理學(xué)界一陣狂熱的激動(dòng)。事情是這樣的，韋伯*用鋁棒做"天線"，接收天體輻射的的方法。為了提高靈敏度，"天線"很重，往往達(dá)到數(shù)噸；為了排除干擾，"天線"置于-270℃左右的超低溫環(huán)境中。當(dāng)時(shí)參加研究的有十幾個(gè)小組，但只有J·韋伯宣布接收到了可能是來(lái)自其他天體的信號(hào)。其后不斷有人重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但終未得到肯定的結(jié)果，于是激動(dòng)之余，人們便只能嘆息罷了。

   射電天文學(xué)的蓬勃發(fā)展為物理學(xué)家們提供了新的探測(cè)途徑。射電望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)本領(lǐng)比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)得多，美國(guó)天文物理學(xué)家泰勒等人在1974年，靠著射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雙星體系--脈沖射電源(PSR1913+16)。按照廣義相對(duì)論計(jì)算，雙星互相繞轉(zhuǎn)發(fā)出引力輻射，它們的軌道周期就會(huì)因此而變短，(PSR1913+16)的變化率為-2.6*10^ -12。而在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實(shí)驗(yàn)行到觀察值為-(3.2±0.01×10 ^-12，與理論計(jì)算值在誤差范圍內(nèi)正好符合。這可以說(shuō)是的*個(gè)定量證據(jù)。上述消息傳開(kāi)，引起物理學(xué)界的極大震動(dòng)?？茖W(xué)家們信心倍增，為歡迎引力輻射這位宇宙"嬌客"將開(kāi)展更為廣泛的探索研究。因?yàn)閷?duì)的探測(cè)不僅可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論的正確性，而且將為人類展現(xiàn)出一幅全新的物質(zhì)世界圖景：茫茫宇宙，只要有物質(zhì)，到處有引力輻射。

折疊發(fā)現(xiàn)的存在

   2016年2月11日，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及“激光干涉天文臺(tái)（ＬＩＧＯ）”的研究人員當(dāng)天在華盛頓舉行記者會(huì)稱：他們探測(cè)到的存在。[1]?

折疊編輯本段測(cè)量情況

    LIGO 和 GEO 600是用來(lái)測(cè)量即時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)的工具。非常難以測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)他們到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)變得非常弱了。

    LIGO 和 GEO 600通過(guò)測(cè)量?jī)蓷l激光束相遇的時(shí)候所形成的干涉圖樣的變化來(lái)探測(cè)。這些圖樣依賴于激光束的傳播距離，當(dāng)穿過(guò)時(shí)激光束的傳播距離會(huì)相應(yīng)變化。

    這種稱之為激光干涉計(jì)的探測(cè)器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。因?yàn)樘綔y(cè)器需要尋找的是很微弱的信號(hào)，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相當(dāng)大。

   據(jù)外媒報(bào)道，愛(ài)因斯坦預(yù)言的時(shí)空結(jié)構(gòu)震蕩論認(rèn)為，由于超新星爆炸、中子星與黑洞等天體相撞，致使宇宙中產(chǎn)生神秘的。歐洲科學(xué)家獲得的存在證據(jù)，從而證實(shí)了愛(ài)因斯坦理論的正確性。

折疊編輯本段干涉儀

   位于美國(guó)的 LIGO 觀測(cè)所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對(duì)封閉在 1.2 米直徑的真空管中的 4 公里長(zhǎng)的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，只有一對(duì) 2 公里長(zhǎng)的臂。

  這二套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個(gè)觀測(cè)所。這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來(lái)像信號(hào)，如果是此類干擾信號(hào)，其記錄將只出現(xiàn)在一臺(tái)干涉儀中，而真正的信號(hào)則會(huì)被兩臺(tái)干涉儀同時(shí)記錄。所以，科學(xué)家可以對(duì)二個(gè)地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個(gè)信號(hào)是噪聲。

   LIGO 從 2003 年開(kāi)始收集數(shù)據(jù)。它是目前*zui大的、靈敏度zui高的探測(cè)所。一系列的升級(jí)計(jì)劃將更進(jìn)一步提高其靈敏度。

折疊傳遞能量

   科學(xué)社群中有部分人一開(kāi)始對(duì)于"是否會(huì)如同電磁波一般可以傳遞能量"感到困惑，這樣的困惑來(lái)自于一項(xiàng)事實(shí)：沒(méi)有局域能量密度--如此對(duì)于引力-能量張量的量值不會(huì)造成貢獻(xiàn)。不像牛頓引力，愛(ài)因斯坦引力不是一項(xiàng)力理論。引力在廣義相對(duì)論中不是一種力，它是幾何。因此這樣的場(chǎng)原來(lái)被認(rèn)為不含能量，一如引力勢(shì)。然而這場(chǎng)確實(shí)可以攜帶能量，如同它可以在遠(yuǎn)處作出機(jī)械功。而這已經(jīng)用可傳輸能量的應(yīng)力-能量偽張量進(jìn)行證明過(guò)，也可看出輻射是如何將能量往外攜帶到無(wú)限遠(yuǎn)處。

折疊天文學(xué)

折疊興起

    天文學(xué)是觀測(cè)天文學(xué)20世紀(jì)中葉以來(lái)逐漸興起的一個(gè)新興分支，其發(fā)展基礎(chǔ)是廣義相對(duì)論中引力的輻射理論在各類相對(duì)論性天體系統(tǒng)研究中的應(yīng)用。與基于電磁波觀測(cè)的傳統(tǒng)觀測(cè)天文學(xué)相對(duì)比，天文學(xué)是通過(guò)這個(gè)途徑來(lái)觀測(cè)發(fā)出引力輻射的天體系統(tǒng)。由于萬(wàn)有引力相互作用和電磁相互作用相比強(qiáng)度十分微弱，的直接觀測(cè)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而言還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。自1916年愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，在理論上預(yù)言的存在以來(lái)，至今未能在實(shí)驗(yàn)上直接被檢測(cè)到。因此從這個(gè)意義上說(shuō)，真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)的觀測(cè)來(lái)從實(shí)驗(yàn)上研究天體系統(tǒng)，從而完善天文學(xué)這一新興領(lǐng)域還為時(shí)尚早。但從相關(guān)的理論研究角度來(lái)看，理論上的天文學(xué)已經(jīng)存在，它的發(fā)展基礎(chǔ)是20世紀(jì)中葉以來(lái)在引力輻射框架下的天體物理學(xué)研究，其中zui的例子是普林斯頓大學(xué)的拉塞爾·赫斯(Russel Hulse)和約瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星，PSR 1913+16，這些研究使人們逐漸發(fā)現(xiàn)相對(duì)論性引力在天體系統(tǒng)中的重要地位。而從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)看，的探測(cè)技術(shù)研究已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，研究人員預(yù)言人類很有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)的直接探測(cè)。

折疊概念

    廣義相對(duì)論預(yù)言下的來(lái)自于宇宙間帶有強(qiáng)引力場(chǎng)的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的天體物理學(xué)研究表明，引力輻射在天體系統(tǒng)中出現(xiàn)的場(chǎng)合非常豐富。這些可期待的波源包括銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)(白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星)，河外星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的合并，脈沖星的自轉(zhuǎn)，超新星的引力坍縮，大爆炸留下的背景輻射等等。的觀測(cè)意義不僅在于對(duì)廣義相對(duì)論的直接驗(yàn)證，更在于它能夠提供一個(gè)觀測(cè)宇宙的新途徑，就像觀測(cè)天文學(xué)從可見(jiàn)光天文學(xué)擴(kuò)展到全波段天文學(xué)那樣極大擴(kuò)展人類的視野。傳統(tǒng)的觀測(cè)天文學(xué)*依靠對(duì)電磁輻射的探測(cè)，而天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測(cè)手段已經(jīng)開(kāi)始超越電磁相互作用的范疇，觀測(cè)將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

折疊特點(diǎn)

   與基于電磁波觀測(cè)的傳統(tǒng)觀測(cè)天文學(xué)不同，天文學(xué)具有如下特點(diǎn)：

   直接著波源整體的宏觀運(yùn)動(dòng)，而非如電磁波那樣來(lái)自單個(gè)原子或電子的運(yùn)動(dòng)的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測(cè)到的*不同。例如對(duì)一個(gè)雙星系統(tǒng)觀測(cè)到的的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關(guān)于波源運(yùn)動(dòng)的宏觀信息通常無(wú)法從電磁輻射觀測(cè)中取得。 如果比較波長(zhǎng)與波源尺寸的關(guān)系，宇宙間的并不像電磁波那樣波長(zhǎng)比波源尺寸小很多，這使得天文學(xué)通常不能像電磁波天文學(xué)那樣對(duì)波源進(jìn)行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質(zhì)。 大多數(shù)源很難或根本無(wú)法通過(guò)電磁輻射直接觀測(cè)到(例如黑洞)，這個(gè)事實(shí)反過(guò)來(lái)也成立；考慮到一般認(rèn)為宇宙間不發(fā)射任何電磁波的暗物質(zhì)所占比例要遠(yuǎn)大于發(fā)射電磁波的已知物質(zhì)，暗物質(zhì)與外界的*相互作用即是引力相互作用，天文學(xué)對(duì)這些暗物質(zhì)的觀測(cè)具有重要意義。 與物質(zhì)的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會(huì)像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時(shí)形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無(wú)衰減地傳播，這為直接觀測(cè)大爆炸提供了僅有的可能。

折疊時(shí)空理論

、

超大質(zhì)量天體相互碰撞可引發(fā)

   在歐洲探測(cè)計(jì)劃中，科學(xué)家在德國(guó)漢諾威的GEO600觀測(cè)站和意大利比薩的處女座(Virgo)探測(cè)器處使用陸基天線。德國(guó)漢諾威的GEO600觀測(cè)站的干涉儀臂長(zhǎng)達(dá)600米，是德英聯(lián)合項(xiàng)目；而處女座探測(cè)器臂長(zhǎng)更是達(dá)到3000米，是意大利、法國(guó)、波蘭、匈牙利四個(gè)國(guó)家聯(lián)合研究的項(xiàng)目。

   根據(jù)相對(duì)論可知，高速運(yùn)動(dòng)的物體和宇宙中大質(zhì)量的天體碰撞都會(huì)產(chǎn)生*的， 當(dāng)這些傳到地球上時(shí)會(huì)變得微乎其微，因此地球需要*靈敏度的觀測(cè)站來(lái)探測(cè)。

  科學(xué)家用激光干涉儀來(lái)探測(cè)，這種儀器得機(jī)構(gòu)由兩條互相垂直的長(zhǎng)臂組成，長(zhǎng)臂的兩端掛有兩面高反射率的鏡子，激光打入到儀器長(zhǎng)臂后，從而激光束在鏡子之間來(lái)回反射。而科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行由于光程差引起的微小變化的檢測(cè)，這個(gè)微小變化僅僅有質(zhì)子直徑大小。

  此外，對(duì)的檢測(cè)需要極其高的技術(shù)條件：比如隔離真空、隔離振動(dòng)等。隔離振動(dòng)包括外部環(huán)境致使的振動(dòng)和內(nèi)部設(shè)備引起的振動(dòng)。

  監(jiān)測(cè)需要多個(gè)地面站同時(shí)工作，這些地面站的探測(cè)裝置都是相同的，這樣可以zui大程度上來(lái)減小儀器測(cè)試產(chǎn)生的誤差；而在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，必須同時(shí)接收同樣的信號(hào)，這樣可以避免受到地面信號(hào)源的干擾，從而保證信號(hào)源的探測(cè)的性。

   德國(guó)馬克斯普朗克引力物理研究所、德國(guó)漢諾威萊布尼茲大學(xué)的哈特穆·特格羅特博士通過(guò)監(jiān)測(cè)比較認(rèn)為： GEO600觀測(cè)站和Virgo探測(cè)器在600HZ以上的中/高頻波段的靈敏度十分相似。這對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)是一件非常有趣的事，科學(xué)家可以通過(guò)此波段尋找超新星爆炸所產(chǎn)生的，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以節(jié)省時(shí)間和提高監(jiān)測(cè)效率。

  據(jù)已知研究表明，伽馬射線是zui強(qiáng)的來(lái)源之一，而中子星或黑洞也都是的探測(cè)源。不過(guò)即使是中子星或黑洞碰撞所傳到地球的信號(hào)也非常微弱，因而能監(jiān)測(cè)到的概率非常小。

折疊編輯本段觀測(cè)意義

   的觀測(cè)意義不僅在于對(duì)廣義相對(duì)論的直接驗(yàn)證，更在于它能夠提供一個(gè)觀測(cè)宇宙的新途徑，就像觀測(cè)天文學(xué)從可見(jiàn)光天文學(xué)擴(kuò)展到全波段天文學(xué)那樣極大擴(kuò)展人類的視野。英國(guó)天文物理學(xué)大師霍金表示，他相信這是科學(xué)*重要的一刻。“提供看待宇宙的嶄新方式，發(fā)現(xiàn)它們的能力，有可能使天文學(xué)起革命性的變化。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是首度發(fā)現(xiàn)黑洞的二元系統(tǒng)，是首度觀察到黑洞融合。”

   傳統(tǒng)的觀測(cè)天文學(xué)*依靠對(duì)電磁輻射的探測(cè)，而天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測(cè)手段已經(jīng)開(kāi)始超越電磁相互作用的范疇，觀測(cè)將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

   因?yàn)橹苯又ㄔ凑w的宏觀運(yùn)動(dòng)，而非如電磁波那樣來(lái)自單個(gè)原子或電子的運(yùn)動(dòng)的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測(cè)到的*不同。例如對(duì)一個(gè)雙星系統(tǒng)觀測(cè)到的的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關(guān)于波源運(yùn)動(dòng)的宏觀信息通常無(wú)法從電磁輻射觀測(cè)中取得。

   如果比較波長(zhǎng)與波源尺寸的關(guān)系，宇宙間的并不像電磁波那樣波長(zhǎng)比波源尺寸小很多，這使得天文學(xué)通常不能像電磁波天文學(xué)那樣對(duì)波源進(jìn)行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質(zhì)。 大多數(shù)源很難或根本無(wú)法通過(guò)電磁輻射直接觀測(cè)到（例如黑洞），這個(gè)事實(shí)反過(guò)來(lái)也成立；考慮到一般認(rèn)為宇宙間不發(fā)射任何電磁波的暗物質(zhì)所占比例要遠(yuǎn)大于發(fā)射電磁波的已知物質(zhì)，暗物質(zhì)與外界的*相互作用即是引力相互作用，天文學(xué)對(duì)這些暗物質(zhì)的觀測(cè)具有重要意義。

   與物質(zhì)的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會(huì)像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時(shí)形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無(wú)衰減地傳播，這為直接觀測(cè)大爆炸提供了僅有的可能。