引力波介紹及探究

1、 研究員：廖平研究員：廖平 田萬(wàn)勝田萬(wàn)勝 尚俊霖尚俊霖引力波的概念引力波的概念 愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所描述的引力，是時(shí)空曲率所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。質(zhì)量可以導(dǎo)致這種曲率。當(dāng)物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，附近的曲率就會(huì)隨之改變。大質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的曲率變化會(huì)以光速像波一樣向外傳播。這一傳播現(xiàn)象就是引力波引力波的產(chǎn)生引力波的產(chǎn)生 任何具有質(zhì)量的物體，或是劇烈的加速過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生引力波。人們熟知的萬(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”。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。 根據(jù)牛頓的理論，整個(gè)宇宙都會(huì)立刻覺(jué)察到太根據(jù)牛頓的理論，整個(gè)宇宙都會(huì)立刻覺(jué)察到太陽(yáng)的消失。這就意

2、味著所有環(huán)繞太陽(yáng)的行星都陽(yáng)的消失。這就意味著所有環(huán)繞太陽(yáng)的行星都會(huì)沿切線方向飛離環(huán)繞軌道。會(huì)沿切線方向飛離環(huán)繞軌道。 阿爾伯特阿爾伯特愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在 1905 1905 年解釋了這個(gè)現(xiàn)象年解釋了這個(gè)現(xiàn)象。愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦決心重新審查萬(wàn)有引愛(ài)因斯坦決心重新審查萬(wàn)有引力理論，他在力理論，他在自述自述這篇文這篇文章中，寫(xiě)下了這樣一句話：章中，寫(xiě)下了這樣一句話：“牛牛頓啊，請(qǐng)?jiān)徫翌D啊，請(qǐng)?jiān)徫摇?老老牛啊，牛啊，請(qǐng)?jiān)徫艺?qǐng)?jiān)徫?他認(rèn)為物體之所以會(huì)互相吸引是因他認(rèn)為物體之所以會(huì)互相吸引是因?yàn)闉橹氐奈矬w扭曲了時(shí)空，其它物體重的物體扭曲了時(shí)空，其它物體則選擇了扭曲時(shí)空中的最短路徑。則選擇

3、了扭曲時(shí)空中的最短路徑。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論： 愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦通過(guò)數(shù)學(xué)通過(guò)數(shù)學(xué)方法發(fā)現(xiàn)方法發(fā)現(xiàn)時(shí)空結(jié)構(gòu)時(shí)空結(jié)構(gòu)是彈性的，是彈性的，就像蹦床。就像蹦床。愛(ài)因斯坦的解釋： 信息能瞬時(shí)通過(guò)宇宙?zhèn)鞑サ倪@個(gè)思想被稱信息能瞬時(shí)通過(guò)宇宙?zhèn)鞑サ倪@個(gè)思想被稱為為超距作用超距作用。愛(ài)因斯坦和其他很多科學(xué)家。愛(ài)因斯坦和其他很多科學(xué)家都被超距作用所困擾，因?yàn)樗馕吨畔⒍急怀嘧饔盟_，因?yàn)樗馕吨畔⒖梢詡鞑サ帽裙膺€快?？梢詡鞑サ帽裙膺€快。 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在 1916 1916 年終于解決了超距作用這年終于解決了超距作用這個(gè)問(wèn)題。他解釋，重力不像牛頓說(shuō)的那樣個(gè)問(wèn)題。他解釋，重力不像牛頓說(shuō)的那樣是瞬時(shí)傳播的，

4、它的傳播需要時(shí)間。是瞬時(shí)傳播的，它的傳播需要時(shí)間。 愛(ài)因斯坦以詳細(xì)的理由說(shuō)明離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的愛(ài)因斯坦以詳細(xì)的理由說(shuō)明離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星會(huì)越遲知道太陽(yáng)消失了，所以較近的行星會(huì)越遲知道太陽(yáng)消失了，所以較近的行星會(huì)先飛離軌道。行星會(huì)先飛離軌道。引力波的提出引力波的提出m麥克斯韋麥克斯韋 電磁場(chǎng)理論電磁場(chǎng)理論愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦 引力場(chǎng)理論引力場(chǎng)理論電荷電荷電磁波電磁波電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)光子光子引力場(chǎng)引力場(chǎng)引力波引力波物質(zhì)物質(zhì)引力子引力子引力波的探測(cè)引力波的探測(cè) 可能的引力波源可分為兩大類 天體引力波源和實(shí)驗(yàn)室(人工)引力波源。 前者包括三類 連續(xù)源、爆炸源和隨機(jī)源引力波探測(cè)的難度引力波探測(cè)的難度理論研究表明，引力波

5、是橫波，以光速傳播。由于它的高度非線性，它不具有像電磁波、機(jī)械波的反射、干涉、衍射等性質(zhì)，也不滿足疊加原理。它的作用截面非常小穿透能力非常強(qiáng)。它能穿越時(shí)空穿透地球。因此它能攜帶古老而遙遠(yuǎn)的信息，但它又是非常微弱的。因而探測(cè)引力波首先必須對(duì)引力波源進(jìn)行分析。 引力波人工源引力波人工源 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在19161916年提出了一個(gè)旋年提出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)棒的方案：轉(zhuǎn)棒的方案：用用一根二十米長(zhǎng)、五百一根二十米長(zhǎng)、五百噸重的鋼棒，以非常噸重的鋼棒，以非?？斓乃俣壤@棒的中心快的速度繞棒的中心旋轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生引力旋轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生引力子來(lái)。子來(lái)。 不過(guò)，要使這樣的龐然大物飛速旋轉(zhuǎn)，實(shí)不過(guò)，要使這樣的龐然大物飛速旋

6、轉(zhuǎn)，實(shí)在太困難了，即使旋轉(zhuǎn)了，從目前的技術(shù)在太困難了，即使旋轉(zhuǎn)了，從目前的技術(shù)水平來(lái)講，人們還是找不到引力子的，因水平來(lái)講，人們還是找不到引力子的，因?yàn)橛眠@種方法產(chǎn)生的引力子是非常微弱的。為用這種方法產(chǎn)生的引力子是非常微弱的。引力波的波源引力波的波源 雙星系統(tǒng) 引力輻射會(huì)使在旋近態(tài)中的雙星損失動(dòng)能，造成其軌道以很緩慢的速度發(fā)生衰減，兩顆恒星逐漸接近。引力波的波源引力波的波源 宇宙大爆炸引力波的探測(cè)引力波的探測(cè) 原初引力波引力波的探測(cè)引力波的探測(cè)2014年3月17日，哈佛大學(xué)史密松天體物理中心的約翰科瓦奇（John Kovac）博士宣布，他所領(lǐng)導(dǎo)的射電天文學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了來(lái)自宇宙暴漲時(shí)期的引力波存在的證據(jù)。位于南極的位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡為什么位于南極？為什么位于南極？ （1）大氣層薄且干凈的地方（地球自轉(zhuǎn)把大氣甩成了一個(gè)橢球了（想象一個(gè)胖子原地轉(zhuǎn)圈圈），赤道最厚，兩極最薄，南極有大陸海拔通常比北極高于是大氣層更薄了） （2）干燥的地方，因?yàn)樗瘴⒉ǎㄓ梦⒉t熱過(guò)水么？），依然南極，水都凍上了。 （3）人煙稀少的地方，防止手機(jī)信號(hào)干擾，南極南極。引力波天文學(xué)引力波天文學(xué) 引力波天文學(xué)自20世紀(jì)中葉以來(lái)逐漸興起，與傳統(tǒng)的電磁波天文學(xué)不同的是，它通過(guò)測(cè)量引力波來(lái)研究各類相對(duì)論性天體及宇宙現(xiàn)象。引力波探測(cè)的意義引