宇宙电影之声引力波

宇宙电影之声引力波第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

如果宇宙是一部电影，那么引力波就是电影的声音。爱因斯坦认为，人类生活在一个充满了引力波的宇宙之中，恒星的爆炸，黑洞的碰撞以及其它强烈的宇宙事件制造了引力波，从而可能改变时间和空间。然而，迄今为止，人类还没有确定的探测到这些引力波，人们都还在努力探寻中....

第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

引力波

引力波源

探测引力波

美国引力波实验室

什么是引力波？

预言引力波第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期二预言引力波——从经典力学到相对论

牛顿结合了哥白尼，开普勒，伽利略的理论提出了万有引力定律，解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。随着科学家们发展出更好的天文学工具，他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言的有些微的差别。比如说，牛顿理论对于水星运行轨道的预测与实际观察的结果稍微有些不同。此外，牛顿的理论也不能对如下问题作出一个令人满意的解释：如果太阳突然消失，将会发生什么事？第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期二根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。可是，爱因斯坦以详细的理由说明离太阳越远的行星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星会先飞离轨道。19世纪末期，大多数科学家都认同于当时对于宇宙的描述。实际上，他们中大部分认为物理学的研究已经相当完善，所剩下的也只是将一些细枝末节了解清楚即可。第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期二但问题是许多所谓的细枝末节都是些不能用当时的理论给予解释的观测或实验结果。其中之一就是实验中对光速的测量结果总是在每秒30万公里(也就是时速18.6万英里)。因此，科学家们认为，因为地球是在围绕太阳运行，如果我们沿不同方向测量光的速度，将得到不同的结果。1895年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷进行了这个实验，并且出乎意料地末能发现光在不同方向的传播速度有任何的差异。第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

爱因斯坦在1905年解释了这个现象，他认为不同于车的速度，光的速度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。爱因斯坦的狭义相对论中第一条定律就是光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的速度。在接下来的几年，爱因斯坦继续研究狭义相对论的细节。这时，他开始考虑怎样将牛顿的引力理论溶入到新理论中。爱因斯坦认识到在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样感觉不到地心引力的作用。他也认识到在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期二爱因斯坦认识到既然两种力是相同的，物理学法则在两种情况下也都是适用的，这需要修改对于引力的定义。爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。他认为物体之所以会互相吸引是因为重的物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲时空中的最短路径。爱因斯坦的广义相对论的基本假定是地球上的物体感受到的地心引力和远离大质量物体、恒定加速的物体所感受到的力是完全相同的。时空被大质量物体扭曲第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

爱因斯坦通过数学方法发现时空结构是弹性的，就像蹦床。想像在蹦床中心放一个保龄球。球的重量将使蹦床中部下陷。而蹦床边缘的轻物体，比如网球，将沿着曲面移向保龄球-就像行星围绕着太阳运行。蹦床的下陷描绘了大质量物体如何扭曲时空。网球的移动路径说明了物体在扭曲时空沿最短路径移动。牛顿认为地心引力是两个物体间的神秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空的扭曲。蹦床的下陷描绘了大质量物体如何扭曲时空。网球的移动路径说明了物体在扭曲时空沿最短路径移动。牛顿认为地心引力是两个物体间的神秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空的扭曲。

第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期二广义相对论的预言之一是光线经过大质量物体时会弯曲。大质量物体会扭曲它们周围的时空，以至任何物质，即便是光，在穿越时空时也将按弯曲的路线行进。1919年，阿瑟·艾丁顿通过在日全食时测量太阳边缘处的星光对这个预言进行了验证。他的结果完美地符合了爱因斯坦的预言。这也是对爱因斯坦理论的第一个实验上的证实，并使他在科学界和公众中迅速成名。第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期二什么是引力波？为了了解什么是引力波，我们回到前面的问题：如果太阳突然消失，将会发生什么事？根据广义相对论，行星之所以环绕太阳是因为它们沿弯曲时空的最短路线行走。如果太阳突然消失，它周围的时空会发生改变。依据爱因斯坦的理论，在水星附近的时空会比在冥王星附近的时空先发生改变，所以水星会先飞出轨道。这些时空的改变以引力波的形式传递。第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二把引力波想象成投入池塘中的石头引起的水波可能会帮助理解。当石头投入水面时，在石头周围的水就立刻被扰动，并且扰动会从那里传播到其他地方。相似的，大质量物体的质量或者速度的突然改变会扰动周围的时空，然后这些扰动会用引力波的形式传播出去。引力波的艺术想象画第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

定义：引力波(Gravitationalwave)，台湾学界称为重力波，英文中有时也写作gravitywave；但更多场合中，gravitywave是留给地球科学与流体力学中另一种性质迥异的波动。关于万有引力的本质是什么，牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波想象图第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期二引力波源当时空结构的曲率发生变化的时候就会产生引力波。既然时空结构的形状仅取决于质量的分布，能够改变质量分布的事件就能够导致引力波的产生。因为时空结构并不是富有弹性的，要产生我们能探测到的引力波将需要相当多的能量。还记得保龄球的比喻吗？时空结构就像一张僵硬的蹦床，你只有将相当重的物体放在上面蹦床才会下陷。第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期二就像池塘中的水波，引力波在产生后的传播过程中也会损失能量。这就是在地球上难以探测到它们的原因-必须是以接近光速的速度运行的超重天体，才能产生足够强的引力波供我们探测，然而这些天体往往都离地球相当远。科学家们认为通过LIGO和GEO我们也许能探测到来自中子星、超新星和碰撞黑洞的引力波第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期二两个大质量的恒星或黑洞相互绕对方运行，就构成了一个双星系统。当两个星体螺旋状地相互靠近时，它们将以产生引力波的形式损失能量。星体靠得越近，产生的引力波也越强，当两个星体最终相撞，将产生非常强的引力波信号。

双星系统中的星体可以是恒星、黑洞或两者的组合。第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

超新星是指具有超大质量的恒星所产生的猛烈的爆炸。当一个超重恒星烧尽了它自身的燃料，就会开始蹋缩。如果蹋缩过程不是沿着完美的球形，超新星将在瞬间发出强烈的引力波。第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

超新星爆发后可能会留下一个极高密度、快速旋转的、几乎完全由中子构成的核心，即中子星。中子星并不是完美的球形，在快速的旋转过程上将产生引力波。一些中子星变成了脉冲星，即发射电磁波的星体，它们也可能会产生引力波。第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期二如果中子星再进一步蹋缩，它将可能成为一个黑洞。这时，星体产生的引力是如此之大以到没有任何物体能逃脱它的束缚，黑洞对外界唯一能提供的信息就是通过引力波的形式。第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期二探测引力波

引力波存在的最初证据来自于1974年Arecibo观测站的天文学家们对沿轨道互绕对方运行的两个星体的观测结果。研究人员在对这些星体进行了多年的观测后，发现星体绕对方运行的周期在慢慢地减短。科学家小约塞夫·泰勒和拉赛尔·赫尔斯猜测双星运行周期的变化是由于引力波的产生导致了能量的损失。他们用数学方法得的双星运行周期的变化量正好符合天文学家们的观测结果。1993年泰勒和赫尔斯因此而获得了诺贝尔物理学奖。第二十页，共四十三页，编辑于2023年，星期二第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二赫尔斯和泰勒的获奖工作来源于在世界上最大的射电望远镜所探测到的无线电信号。该望远镜位于PuertoRico的Arecibo观测所。第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二约瑟夫·韦伯在六十年代后期搭建了第一个共振质量探测仪。之后也有许多人搭建了类似的探测仪，但至今仍末成功探测到引力波。约瑟夫·韦伯正在共振质量探测器前工作。

引力波探测仪器第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期二用铝棒探测引力波的示意图

第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期二大多数共振质量探测仪是由巨大的圆柱形铝棒构成。当引力波经过铝棒时，铝棒的长度将有所改变。铝棒会从引力波中吸收能量并产生振动。铝棒周围的感应器将检测到这些振动并将它们转化为可供分析的电信号。铝棒一般放置在真空中，并保持极低的温度以抑止噪音。振动的幅度依赖于引力波的强度。因此，科学家们能够通过测量振动的幅度来得到引力波的强度。建造共振质量探测仪不像建造激光干涉计探测仪那么昂贵。但它们只对特定的有大量背景噪音的引力波源敏感。大多数引力波探测项目都是使用更为灵敏的激光干涉计探测仪而不是共振质量探测仪。第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期二激光干涉计中有“L”型放置的两条臂。每条臂上均放置了一些透镜，在两臂交会的地方有一个分束器。激光进入分束器后，分束器将光分为两半后分别送往两臂。两束激光在重新会合前将在镜子间多次反射。当两束光重遇后将发生干涉，并形成一个依赖于两条光路光程差的图样。感应器将对这个图样进行测量并转化为电信号。因为引力波会改变这个干涉图样，研究者们将通过检测图样的变化以搜寻引力波。科学家们还将比较分布在世界各地的干涉计的检测结果，以判别信号是真地来自引力波还是来自于本地的干扰。激光干涉计第二十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期二激光干涉计探测仪的示意图第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期二位于美国的LIGO观测所拥有两套干涉仪，一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿，另一套在华盛顿州的汉福。在李文斯顿的干涉仪有一对封闭在1.2米直径的真空管中的4公里长的臂，而在汉福的干涉仪则稍小，只有一对2公里长的臂。这二套LIGO干涉仪在一起工作构成一个观测所。这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其它干扰都可能看起来像引力波信号，如果是此类干扰信号，其记录将只出现在一台干涉仪中，而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以，科学家可以对二个地点所记录的数据进行比较得知哪个信号是噪声。LIGO从2003年开始收集数据。它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测所。一系列的升级计划将更进一步提高其灵敏度引力波观测激光干涉仪LIGO第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期二

鸟瞰华盛顿州汉福的LIGO第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期二鸟瞰路易斯安娜州李文斯顿的LIGO第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期二鸟瞰

GEO600观测所

GEO600是位于德国汉诺威的一个引力波观测站。GEO600拥有一套干涉仪，该干涉仪有一对封闭在60厘米直径的真空管中的600米长的臂。GEO是2002年开始运作的一个英德合作计划。科学家们联合了分布于LIGO、VIRGO(日本/意大利)和TAMA(日本)的干涉仪共同进行实验，虽然GEO600比LIGO要小，但它在设计上采用了当前最为前沿的先进技术以提高其灵敏度。2007年LIGO也将在采取一些措施对其设备进行升级第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期二美国引力波实验室介绍

激光干涉引力波天文台(LIGO)是由美国国家科学基金会资助的最大规模项目之一，处于发现引力波研究的最前沿。该探测器备有对质子极度敏感的超长激光器，其敏感度足以记录下相对微弱的引力波。以下是加利福尼亚理工学院四个LIGO实验室内部一瞥。第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期二第三十三