引力波有什么用?

2019-11-25 - 引力波

首先,LIGO与VIRGO同时捕获到一个持续时间为1百秒左右的新引力波信号,通过对信号特点的分析,科学家认为这是两颗中子星并合产生的。引力波信号到达后大约1.7秒,美国国家航空航天局(NASA)的费米卫星探测到了一个伽马射线暴。由于引力波信号和伽马射线暴同一时间来自天空同一区域,科学家认为两者必然是由同一个天文事件产生的。

引力波有什么用

随后,世界各地的天文学家都接到LIGO通知,纷纷动用一些最先进的望远镜,比如钱德拉X射线空间望远镜、哈勃空间望远镜、甚大望远镜以及阿塔卡玛大型毫米波天线阵,对相关区域展开观测。

后续的天文观测持续了数周,结合这1百秒左右引力波的数据,科学家可以对这一天文学事件做出全面的描述。大约在1.3亿年前,长蛇座尾部的“NGC4993”星系中,两个比太阳略重的中子星不期而遇,它们刚开始相距约400千米,以每秒12圈的速度围绕彼此转动。巨大的质量搅动着宇宙,传出一阵阵时空的涟漪——引力波。

引力波有什么用

随着中子星越靠越近,两者转速逐渐增加到每秒2000圈,引力波的“哨音”也愈发急促。终于,两个中子星碰撞在一起,10亿℃的高温物质从碰撞处喷涌出来。巨大的冲击波也在穿过喷涌物质时,散发出强烈的伽马射线。这些光、宇宙射线和引力波一起,以光速行走了1.3亿年,终于来到地球,被人类察觉。

引力波有什么用

“多信使天文学”

这次捕获到中子星碰撞所发出的引力波,对天文学研究产生里程碑式的发展。

我们常说,天文学研究是“盲人摸象”,因为宇宙太大了,要了解它太难了,一种观测方式往往只能了解片面的信息。从古人单凭肉眼仰望星辰,到伽利略首次用天文望远镜对向夜空,人类观测宇宙的唯一方式曾经就只有用眼去看,但这种观测受到天气条件的约束,而且许多星体是肉眼看不到的。

随着科学的发展,人们逐渐认识到在可见光之外,宇宙中还存在X射线、无线电波等看不见的射线。通过探测它们,可以触摸到宇宙这只“大象”的另外一些方面,比如黑洞的引力让光线也无法逃脱。人们无法看见黑洞,但是它会释放出很强的X射线,这让天文学家得以分析黑洞的若干性质。所以,现代科学家所研究的就是“电磁波天文学”——用可见光、X射线、无线电波等不同波段的电磁波来“看”天文现象。

然而,引力波是与电磁波本质不同的物理现象,百年前爱因斯坦的广义相对论指出,引力波记录的是时空变化的“涟漪”,它与物质的相互作用非常弱(不像电磁波),其携带的来自波源的信息恒久不变。通过这种全新的物理现象,科学家又有了一种“听”天文的方式,使“电磁波天文学”会进化为“多信使天文学”,既可以利用电磁波“看”,又可以用引力波“听”天体,并且还可以利用电磁波“看”那些用引力波“听”到的天体。

此次的“中子星碰撞”就是用这种手段来研究的——科学家仅靠引力波数据就了解了中子星碰撞的过程、确定了伽马射线暴的起源,然后利用电磁波又“看”到这次碰撞。

接下来,科学家会用同样的技术手段(LIGO、VIRGO)观察更多的黑洞、中子星合并产生的引力波,以后可能每天都有新发现。同时,多信使天文学还有两个更重要的方向要去探索。一是去探索更加微弱的引力波。按照爱因斯塔的理论,引力波信号的强弱与发射源的质量和远近有关。

目前科学家所捕获的引力波信号,要么来自黑洞,要么来自近距离的中子星,都是比较容易找到的。而宇宙中更多的引力波源自数目庞大的小星体,比如行星、白矮星,它们活动更频繁,但发射的引力波信号就要弱许多。但目前,LIGO、VIRGO的技术还达不到能测到它们的精度。

另一个更伟大的目标,就是尝试收集宇宙大爆炸产生的初始引力波。因为引力波不会衰减,所以初始引力波很可能还在宇宙中回荡。找到它们,或许能够帮人类开始认识宇宙起源与物质创生的秘密,甚至有可能开始探测光产生之前的原始宇宙。

科学理论推测,138亿年前,大爆炸发生之后的一段时期里,宇宙里充斥着非常热的光子、电子、质子组成的等离子态物质,它们组成了高温、高密度的带电浆云。光子在这团浆云中不断与电子和质子发生散射,根本跑不出这锅炽热的粒子粥。

所以,最初的那38万年的宇宙,我们是无法看到的。直到大爆炸发生38万年后,随着宇宙膨胀和冷却,原子开始形成,带电浆云渐渐散开,宇宙中就有了可以传播的光线(运动的光子)——这也是“电磁波天文学”可以研究的所有天文现象的“时间起点”,如果要研究这之前的事情,只能寄希望于初始引力波。

但初始引力波的频率更低,波长跟整个宇宙的尺度差不多,对技术要求更高,虽然我们不知何时才能实现,但这还是给我们带来了希望和研究方向。

引力波还能干什么?

最后,我们无法免俗,还是要来讨论一下引力波对于普通人有何价值,毕竟“宇宙时空”这种事离我们太远了。其实,科学家在探索引力波过程中带来的科技进步,已经有不少能够转化为民用。

以世界上最重要的引力波探测天文台即美国的LIGO为例,它耗资数亿美元,由上千位科学家花费40年时间建成,但目前仍需要继续“升级”。原因就在于,引力波是非常微弱的,地壳运动的震颤、数千千米外海浪拍打岩石的声音、温度的略微上升,都可能对探测造成影响。为了保证抗干扰能力,LIGO须把精度技术提升到极致。

比如,LIGO使用的镜片由高纯度的二氧化硅制作,能够做到每射来300万个光子,只有一个光子会被镜子吸收,即只挡住了一个光子。可以说镜片甚至比空气还要通透,该技术可以用于医疗、手机、相机;探测引力波时,LIGO激光在天文台内反射400次,光路总长度达到1600千米,但仍能做到不发散、不衰减,其中必然使用了高超的激光功率放大技术,那么或许可以给无人驾驶汽车中的激光雷达提供一些借鉴;LIGO真空系统内的压强,可以做到海平面大气压强的一万亿分之一,如此高程度的真空技术,对于需要防尘的半导体加工工业应该同样有用;而LIGO的减震抗震系统,在军用导弹存储方面可以照搬应用。

那么,引力波本身能干什么?可以说,在能够预见的将来,引力波对于日常生活几乎毫无用处,最多也只能给导演或者作家提供一些创作灵感,比如电影《星际迷航》、《星际穿越》以及小说《三体》中都有关于引力波的桥段。不过,当初人类最开始意识到电磁波存在时,也并没有感觉到电磁波有什么用,如今,电磁波却在微波炉、手机、航空中不可或缺。由此推测,引力波也许能够重复这个故事。

本文源自大科技〈科学之谜〉杂志2018年1期 文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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在物理学中,引力波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。在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。

引力波什么时候发现的【引力波什么时候发现的】引力波的发现对现在物理学有什么意义?

题主你好。从最近我所掌握的信息来看,引力波的发现除了证明广义相对论的正确性,在认识极早期宇宙的演化历史,更关键的是量子引力方面,它都将提供极大的帮助。首先来说极早期宇宙演化,我们只要宇宙的演化历史存在一个暴胀时期。由于宇宙暴胀,宇宙的密度急速下降,导致原初引力波可以辐射到更大范围的宇宙空间去。如果我们能找到原初引力波。

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1、这一发现填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图爱因斯坦1916年发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的一种时空波动mdash;mdash;原初引力波mdash;mdash;的存在。过去近百年中,广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有原初引力波因信号极其微弱。

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随着科学技术迅速发展,曾经提出的许多物理概念都被逐一证实,例如引力波,最初只是爱因斯坦提出的一个预言,但最近几年人类已成功探测到了引力波的存在。大家都很好奇引力波是什么,其实引力波就非常类似于在水塘当中扔下一块石子的时候,我们就会看到水面激起波纹,而引力波就是当大量的能量释放到时空当中,引起的时空自身的震动。

引力波是什么?【引力波是什么?】引力波的作用机制是什么?

引力波是近几年比较火的物理术语。其实引力波早在1916年就被爱因斯坦提出来了。引力波是广义相对论的一个很重要的预言。但是引力波的验证实验一直没有被完成,其中很重要的一个原因在于,引力波的探测难度很高,需要很高的精密仪器。曾经有科学家比喻,探测巨大双黑洞彼此扰动产生的引力波就相当在1公里的范围内寻找比原子核半径小一万倍的空间变化。

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