如何理解引力波,怎樣具體探測?

問題描述:廣義相對論中的引力波如何理解?怎樣去探測來證明它的存在,可否給出一個實例。
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陳歪歪:

一個及其簡單的科普,專為被刷屏的懵逼患者觀看。

1. 首先,我們想像時空是一個巨大的毯子。

任何一個有質量的物體都會讓毯子產生彎曲。
小球體,小彎曲。
大球體,大彎曲。

ok?

2. 然後,我們把時空想像成一個湖面.

球球讓湖面凹陷,彎曲。

如果球是靜止的,那麼對湖面的影響就是靜止的。
如果球是運動的,那麼湖面會起一陣陣漣漪,質量越大,運動越快,漣漪越大,這就是引力波噢

這也是愛因斯坦廣義相對論中關於引力波的簡單論述。(後面有廣義相對論的完整科普)

我們這里說的引力波,是兩個球在轉產生的引力波,如下圖。

兩個黑洞繞著跳舞會產生引力波,兩個人繞著跳舞也會產生引力波,只不過引力波非常非常非常小,很難探測到,只有大質量的球球才有可能探測到,兩個人產生的引力波就實際上是沒法探測到的了。

3. 三個條件。

我們由上面的論述得到探測到引力波的條件:
(1) 兩個非常非常大的球
(2) 他們繞著非常非常快地運動
(3) 用比較牛逼的探測方法。

這次我們探測到的是什麼呢?
一個球球是29倍太陽質量的黑洞。
一個球球是36倍太陽質量的黑洞。
他們靠近,碰撞,並合成為了62倍太陽質量的下圖豬鼻子一樣的玩意兒。滿足了前兩個條件。
但是,唔,國小數學老師告訴我們,36+29=65,剩下的3倍太陽質量去哪兒了呢??

以引力波的形式輻射出來了。

一個我不準備解釋的結論是:當引力波穿行時,它會拉伸或者積壓任何途中遇到的物體。

但問題是,這個拉伸或者壓縮都是非常微小的,最多大概只有10的負21次方,我們用普通的尺子肯定無法探測到,所以我們得用「光速」這把尺子。

激光經過一段距離。
-時間越長,說明距離越長。
-時間越短,說明距離越短。
這就是探測的基本原理,是不是超簡單噢?

我們的測量設備是一個巨大的「L」形,如下圖的兩個綠色的臂,兩臂的盡頭,我們可以理解為一個鏡子,激光發射然後反射回來,就可以測出兩臂的長度。

在產生時空的漣漪中,大家請仔細看上面兩個圖中方塊的變化,時空不停被壓縮,變成又高又瘦(如果不明顯的話請看下圖第一個黑色長方形),然後被拉伸,變成又矮又胖(如果不明顯的話請看下圖第二個黑色長方形)
也就是說引力波經過時,它會擠壓或者拉伸探測器的雙臂,一個方向拉伸,一個方向壓縮,我們用「光速」這把尺子(也就是通過光發射出去,再反射回來的時間)可以非常精確地測量出在哪個方向增長了,在哪個方向上壓縮了。

#如果是普通科普的話,探測原理說到這里基本可以停止了,謝謝大家,有興趣的繼續往下看#

上面所說的是超級簡化版,實際上要復雜一丟丟,但應該也是能看懂的,不要放棄啊!!看圖!

如圖所示,激光穿過四千米長的真空管道,分別到達如圖所示的兩個鏡面處,再反射回來,當激光再次相遇的時候,我們把光想像成水波,兩束水波相遇,疊加,就會形成新的相干波紋,這是大學物理中所謂的干涉條紋,理工狗都該知道。

如果沒看懂,那你只要知道,激光再次相遇,形成了一些條紋。

根據我們前面說的結論,引力波經過時,它會擠壓或者拉伸探測器的雙臂,這個會對我們的條紋造成一些影響,造成一定的偏移,這個偏移,被LIGO團隊觀測到了。

再多說幾句廢話,LIGO讓入射的激光在很多鏡面來回反射,使得本來200W的激光功率倍增,激光超強,又用純二氧化硅打造鏡子,使得鏡子超亮,還有真空的環境。然後超牛逼地讓激光在4千米的探測臂中進行了400次的反射,使得探測臂的有效臂長為1600千米,由此得到了超顯著的探測結果。

大家意思意思地看一下這張激動人心的圖。

我們探測出引力波的意義相當於什麼呢?我們地球,是一個一生都聽力失聰的人,這一刻終於聽到宇宙說話了!是一個一生都瞎的人,這一刻終於看見宇宙了!

具體+簡化來講有以下意義:

  1. 一種全新的方式來探索宇宙,我們從用眼睛看,變成用望遠鏡看,那些都是光波,現在我們可以用引力波看。我們可以用引力波觀測用電磁波沒法看到的黑洞啦,還有佔了宇宙質量95.1%的暗物質和暗能量啦(你不需要知道這是啥),等等等等
  2. 引力是一種可以跨越不同維度的力(下面的科普中也提到了),通過研究引力波,或許有朝一日我們可以實現時間旅行噢!穿越噢!大家開不開心?
  3. 還有好多我懶得講了。

完結,請贊~(答案有疏漏錯誤之處拜託大家告訴我噢~)

好了這就是全部的視訊和文獻參考了,圖片來源我找不到了。回頭找時間我百度識圖一下會放上來哈。

p.s.

大家以後如果看見情侶轉圈跳舞而你是孤身一人。
別的單身狗受到一萬點的暴擊,而你只需要不屑一顧地說。

——————更多的科普大家可以不看——————

  • 四種基本力

宇宙中已知的四種基本力包括強力,弱力,電磁力和引力。前三種力都存在於我們熟悉的三維世界中,好理解。

強力:原子核中,因為它的存在,使得都帶正電子的質子不至於因為相互排斥而分崩離析。
弱力:基本粒子中的另外一種力,比強力小得多。
電磁力:帶電粒子或物體之間的作用力。

引力:科學家門都很難解釋,這個玩意兒存在於時空中,即四維世界中,是唯一能跨越不同維度的作用力,也就是說,它能影響三維世界存在的第四維——時間。

  • 廣義相對論

它告訴了我們兩個資訊。

一個,我們所處的世界,是由三維世界和一維時間組成,你某個時間,在哪兒,就構成了你在這個世界的全部時空。

另一個,你或者物質怎麼運動和發展,取決於你所在時空的性質,而你所處的時空,會因為一個物質的質量大小而產生彎曲,比如一個超大的黑洞,就會讓周圍的時間變快或者變慢。

如果物體是靜止的,對時空的影響就是恆定的。
如果物體是運動的,對時空的影響就是變化的。
這個也好理解,一個船在一個湖面靜止不動,那麼湖面的凹下去的這個變化也會不動,一個船在湖面運動,湖面就會產生漣漪。

所以,廣義相對論是不是也超好理解?

很多東西都會造成引力波,比如黑洞形成啦什麼的,這些引力波都會造成地球上物體距離的變動,但變動的數量級超級小,大概只有10的負21次方。

我們很難探測到如此微小的變動,所以引力波——愛因斯坦廣義相對論的最後一個重要的部分,之前一直難以被證實。(現在被證實啦~)

參考文獻和視訊:

Usefully tutorial about Gravitational Wave: School of Physics and Astronomy, Welcome to Einstein Online, Gravitational wave spectrum
eLISA: eLISA – Make History (A New Astronomyhttps://phdmovie.com/http://www.letv.com/ptv/vplay/24606990.html

最後的最後,告訴大家一個小秘密,我是一隻冉冉升起的大V,走過路過不要忘了關注哇!


羅景:

謝邀,今天索性把之前欠的債都還了吧。
Disclaimer: 我不是做廣義相對論或宇宙學或天文學的;為便於理解,用詞不嚴謹,原理不細說。

1. 第一個問題:如何理解引力波?
床單上的一個鐵球會使平整的床單彎曲下陷,同理時空中的大質量物體會使時空彎曲。鐵球最先接觸到的那部分床單先下陷,隨後周邊也下陷,這個「下陷」有傳播的過程;同理大質量物體所引發的時空彎曲也有一個傳播的過程。
大質量物體運動時所產生的曲率變化會以光速像波一樣傳播,這一現象就是引力波。波經過觀察者時,觀察者發現時空扭曲了。這扭曲怎麼表現出來呢?
兩個自由物體之間的距離會隨著引力波有節奏地波動。注意,這個波動不是外力引起的,不是它們自己在跑。改變的是時空坐標本身的距離。
我們「看到」一樣東西是通過光。光是電磁波,電磁波勢必受到電磁場的影響。於是一旦你想要觀測的東西和你之間有其他外界電磁場干擾,你所獲得的資訊就不會準確。
但引力波不會受到電磁場干擾,於是可以用來觀測很遠地方的東西。乃至早期宇宙。

2. 第二個問題:如何探測?可否給出實例?
引力波源包括雙星系統、脈沖星、引力坍縮和伽馬射線爆、大質量黑洞、宇宙大霹靂等等。簡單地說,只要一個系統在運動的時候輪廓有所變化,就能產生引力波。更準確地,一個系統如果有很大而且隨時間變化的四級矩,就是比較好觀測的引力波源。

1993年諾貝爾獎:赫爾斯-泰勒脈沖雙星在互相公轉時互相靠近,為引力波的存在提供了證據。

高中物理知道,變化的電場和磁場能鼓搗出電磁波電磁輻射,輻射就有能量損失。同理,引力輻射也意味著能量損失。對於一個雙星系統,能量損失意味著兩只星星會互相靠近。如果你觀測到這靠近,也就間接觀測到引力波了。

2014年:哈佛一個組稱用BICEP2在宇宙微波背景中觀測到原初引力波,引起轟動,後發現此結果顯著只不過是因為有其他效應未排除,空歡喜一場。關於此,可參看以下兩個問題的回答:

引力波的發現在科學上有多大的意義? – 天文學
宇宙大霹靂第一波的引力波震蕩是怎麼被探測到的? – 物理學


胡先笙:

======10月24日:我又寫了一篇關於引力波和廣義相對論的回答,是對本文的進一步拓展和深入,歡迎閱讀。======

引力波,又來了,此番不再是雙黑洞合併、才持續1秒,而是持續了100秒的雙中子星合併而產生的引力波,同時還跟來了各種電磁波。值此科學盛宴,是該真正理解引力波,不能只滿足於「時空漣漪」的通俗說法。

10月3日,諾獎授予三位引力波貢獻的物理學家;10月16日,全球聯合發布,人類首次探測到了來自雙中子星合併的引力波,同時探測到電磁信號,2017年的金秋十月,世界再次掀起引力波的狂潮。藉此機會,我來談談如何真正理解引力波,這就必須從相對論說起。

一、回顧

2016年2月11日,LIGO宣布:探測到了引力波;全球轟動、新聞盛宴、各種刷屏。LIGO通過對這個信號的分析,認為這是13億年前發生的一場宇宙級的黑社會火併重大事件,也就是兩個黑洞合併了。13億年前的事兒,為什麼我們地球人現在才察覺,因為雙黑洞系統距離地球13億光年。

我們先看這兩個黑洞,一個質量相當於29個太陽,一個相當於36個太陽,他倆剛開始互相繞著對方轉動,越轉越近,最終就合併了,合併成了一個黑洞,相當於62個太陽。差得那三個變成能量釋放了。多大的能量?E=mC2,這么大的能量是以什麼方式釋放的呢?就是通過引力波釋放的,引力波把這些能量帶走了。

什麼是引力波,如果有人顧名思義,想像著什麼波一般的引力、或者什麼引力如同波一般的傳播,那就大錯特錯了。引力波的專業說法是:四維時空曲率的擾動以行進波的方式向外傳遞的一種方式,所以更應該叫曲率波;這聽著也太專業了。我們還是聽一個軟和一點兒的,引力波就是時空彎曲的漣漪,通過波的形式從輻射源向外傳播。

時空為何會彎曲,愛因斯坦在廣義相對論中告訴我們物體的質量會讓時空彎曲,一旦物體發生運動或質量發生變換,時空的彎曲程度就會變化,形成了漣漪一般的波,就會向外傳播。

因此,愛因斯坦早就預言了引力波的存在,但愛因斯坦同時又說了,因為引力波太弱了,地球上的我們是不太可能觀測到的,那麼LIGO憑啥就認定他們觀測到的就是貨真價實的引力波呢?尤其是還認為此番的引力波是兩個黑洞合併所引發的,這就更令人匪夷所思,因為我們就沒有真正直接地觀測到黑洞,又何來兩個黑洞的合併呢?

要想真正了解這些問題,就先要真正理解引力波,這就必須了解一些廣義相對論,要了解廣相,又要從狹義相對論說起。

二、從狹義相對論到廣義相對論

大家都知道,描述一個事件需要時間和地點,也就是時間和空間,這樣空間三個坐標XYZ與時間T就構成了四維時空,這是一件非常自然的,但牛頓為何不提四維時空的概念呢?因為他認為空間與時間之間是相互獨立的,所以沒必要把時間和空間視作一個整體,也就沒必要提出四維時空的概念。反過來,愛因斯坦要把時間和空間放在一起組成四維時空,當然是認為是時間和空間之間會互相影響,時空混成一個整體。

愛因斯坦這樣也是被逼的,是為了強行解釋邁克爾遜-莫雷的實驗結果,毅然提出了光速不變的假設。所謂光速不變就是說:無論在任何慣性參照系下觀測光在真空中的速度,它的數值是一樣的,都是每秒三十萬。這的確是不可思議的,但這個假設的確可以解釋邁克爾遜-莫雷的實驗。愛因斯坦基於此構建了狹義相對論,帶來了很多光怪陸離的現象,比如運動中的物體長度會變短、運動中的物體質量會變大、運動中的時鍾會變慢,這都是光速不變的假設所造成。其原因就在於我們人類要用光來進行各種觀測,所以光速不變這個原理就會滲透到整個物理大廈,最終導致時間和空間發生關聯,不但令時間和空間必須要組成一個整體的四維時空。

狹義相對論很成功,預言了很多結果與實驗和觀測相符合,這樣光速不變的地位從假設上升到了原理。但愛因斯坦對之並不滿意,是狹義相對論是基於慣性系的,這就意味該理論所推導出的物理定律只適用於不受引力作用的慣性系,要不怎麼叫狹義相對論呢?所以有志青年愛因斯坦必須要繼續努力,發誓要將相對論推廣到非慣性系中去,也就是要將引力引入進來。

過去引力的規律是被牛頓的萬有引力定律所主宰的,但它與狹義相對論發生了沖突,所以愛因斯坦必要發展出新的引力理論,要去實現「物理規律在一切參考系裡都具有相同的數學形式」的偉大理想。

受到法拉第磁場概念的啟發,愛因開始把引力也視作一種場,就是引力場。在愛因看來,一個有質量的物體就會在它的周圍空間布下一個引力場,它會對這個場中的另一個物體發生作用,所以不是什麼超距作用,而是引力場的作用。空中的物體為何會向地面下落,因為它處於地球的引力場之中。愛因斯坦接著又突發奇想:我從窗戶上跳下去,這樣就會成為一個自由落體,那麼我就感受不到自己的重量了。這個大腦實驗告訴我們一個道理,自由下落物體是感受不到地球對他的引力,確切地說,是感受不到地球引力場的,完全處於類似宇航員失重的狀態。

這個大腦實驗就是得出一條結論——地球引力場下的自由加速下落與沒有引力場的效果是一樣的,是完全等價的。這個結論挺可怕,意味著,引力場的存在可以視作一種表觀的存在,甚至可以看做是一個假象,因為我們總可以選取另一個參照系,使得引力場不存在了。就是我們在自由下落時,根本就感受不到地球對我們的引力。

最終愛因斯坦將之升華為:加速度就等價於引力場,這就是等效原理,基於此愛因斯坦構建了廣義相對論。等效原理是廣相的基本假設,需要說得稍微嚴格一點兒。那就是:引力場與適當的加速度系是等價的。在任何一個時空點,都可以選取適當的加速參考系,使得引力可以局部的消除。消除了引力的參考系就是慣性系。如此以來,在任何引力場中的任何一個時空點,我們總能建立一個自由下落的或者說是適當的加速參考系,在這里引力場被消除了,因此它就是慣性系,這樣狹義相對論所確立的物理規律就可以成立了。

基於此,愛因斯坦提出了廣義相對性原理:一切坐標系都是平權的,都是平等的,無論它是慣性系還是非慣性系,任何物理學規律在任何坐標系下都有相同的數學形式。這說起來容易,但做起來非常難,愛因斯坦構建廣義相對論極其艱辛,用了八年時間。

三、時空彎曲

廣義相對論是關於引力場的理論,因此其最大的目標就是改造牛頓的萬有引力公式。在狹義相對論看來,萬有引力公式最大的問題是,其分母上的距離平方會依賴於參照系的選擇,不同的參照系會觀測到不同的距離,因為參照系之間的相對運動會有尺縮效應。而愛因斯坦的目標是:建立一套這樣的引力方程,不依賴於參照系的選擇,也就是說它在任何參照系下,無論是慣性系還是非慣性系,這個引力場方程都有相同的數學形式。

愛因斯坦開始思考:為什麼兩個不同質量的鐵球會同時落地,就是把鐵球換成金磚、銀彈、鉛球也會以同樣的方式、同樣的加速度去下落,去落地。愛因進一步又想:若在真空中斜拋一個物體,無論是煤塊、木塊還是豆腐塊,只要拋射角一致、初速度也一樣,那麼它們畫出的空間軌跡也是完全一樣的拋物線,這是怎麼回事兒?愛因斯坦猛然腦洞打開:這不就說明了物體在引力場的運動方式與物體本身的性質無關、只與空間的幾何有關。斜拋物體為何會展示拋物線呢?那是因為時空是彎曲的,是地球的質量令周圍的時空彎曲了,物體在彎曲的空間只能彎曲著走。按照這種思路,就可以這樣解釋地球繞太陽轉,太陽質量特別大,是地球質量的33萬倍,把周圍的時空搞得很彎,彎得地球就只能繞著它轉悠,樂此不疲。

看到這里,或許有人覺得:原來牛頓與愛因斯坦就是用兩個等價的方式來刻畫宇宙的規律,一個是引力,另一個是彎曲時空,牛頓的質量越大則引力越大,也就相當於愛因的質量越大造成的時空彎曲程度越大嘛。真的等價嗎?若果真等價,那引力波還會輪得到愛因斯坦去預測嗎?那麼在哪裡不等價了?在狹義相對論中,時間和空間已經融為一體,一旦空間彎曲,時間也必然彎曲,時間和空間之間互相影響,這是牛頓絕對時空觀所無法想像的。所以彎曲時空與牛頓引力概念的關鍵區別在於,時間是否與空間發生了互作用。

既然愛因斯坦認為是彎曲時空導致了物體的種種運動,那麼首先要面對的是如何描繪這個四維時空的彎曲程度,這個在數學難度非常大,好在有數學家黎曼提前為他準備了黎曼幾何。四維時空曲率不是一個標量,也不是一個矢量,而是一個四階張量、要用一個4*4*4*4的超級矩陣來表達,一共包含256個元素,其復雜程度由此可見一斑。我們姑且將將之記做R,一個需要四個角標的R。

雖然張量很煩人,但張量有一個大優點:它不依賴於坐標系的選擇,或者說在任何參照系下具有相同的數學形式。這正是愛因斯坦對物理量的追求,滿足廣義相對性的要求。而時空曲率是一個四階張量,更說明它是時空的內在性質,描繪了時空的彎曲程度,並不受到坐標系選擇的影響。

四、引力場方程

大物理學家就是要基於觀測數值,再利用直覺洞察力和數學工具,要對所研究的系統建立數學方程,這個方程將會蘊含系統的運行規律。現在的思路是,物體的存在導致了時空的彎曲,而物體又是以質量和能量來顯示自己的存在,那麼質量和能量的分布就決定了時空彎曲的程度,這樣兩者之間可以建立一個等式關系。

具體來說,愛因斯坦有了曲率張量,一個描寫時空彎曲程度的數學概念,但它同時也是一個物理量,因為是物體質量導致時空彎曲的。根據狹義相對論的一個副產品E=mc2,令我們曉得質量和能量其實是一個東西的兩個不同狀態而已。所以更嚴格地應該說,是質量和能量導致了時空彎曲。

也就是說,有多大的質量和能量就會導致時空有多彎曲,這不正是一個等式關系嗎?那麼這個預想的等式中,一側應該是表達質量和能量的,它們是導致時空彎曲的元凶,另一側應該是曲率張量,它是時空彎曲的體現。但這里有個障礙,這曲率張量是一個四階張量,你質量和能量算個啥,就幾個分量,怎麼和高大上的四階張量進行對接呢?也就是說,愛因斯坦必須要將質量和能量也寫成張量形式,才有望與曲率無縫對接。最終,愛因斯坦由能量和動量來構建這個張量,也就是將將動量和能量視作了一個整體——能量動量矢量,然後借鏡電磁學,湊了一些能量密度、動量密度、能量流、動量流之類的,最後搞出了一個4*4的矩陣,也就是把能量動量矢量升級成為二階的能量動量張量。

但是,這個二級張量仍然無法與四階的曲率張量對接,於是愛因斯坦又利用里奇的成果,將四階的曲率壓縮為了二階的張量,就把這個表達曲率的二階張量稱之為里奇張量。至此為止,表達時空彎曲的曲率張量已經壓縮為二階的里奇張量,引起時空彎曲的質量能量也提升為了二階的能量動量張量。現在就是要尋找它倆之間的等式關系,一旦找到,廣義相對論就大功告成。

臨門一腳,愛因斯坦再次遭遇強大阻力,幸有數學大鱷希爾伯特出手相助,終於大功告成,這里必須要將這個偉大的方程展示出來:

它就是引力場方程(或稱愛因斯坦方程),但實際上在方程並沒有直接表達引力場的物理量,只有顯示曲率的度規張量gμν、里奇張量Rμν、曲率標量R,還有能量動量張量Tμν,所以我覺得叫曲率方程更加準確,因為它是在表達時空曲率與物質分布狀態的方程。之所以還叫引力場方程,那是因為引力這個概念太有魔性,盡管愛因已經用彎曲時空取代了它,但還是令我們揮之不去。

大家要注意,愛因斯坦方程不是一個方程,而是十個方程,因為其中的變量帶下角標μ、ν,是一個2階非線性的偏微分方程組。宇宙萬物的規律都蘊含在了這個方程組之中了。但必須注意:方程中只是蘊含著萬物的規律,但並未呈現出來,需要將方程解出來,才能看到其中到底有什麼靈童仙子、有哪些妖魔鬼怪。但求出通解是不可能的,只能去求特解。

宇宙的規律似乎都蘊含在了愛因斯坦方程之中,後來的人每從其中求得一個特解,都是解開了一個令人震撼的宇宙密碼。這個震撼度往往令愛因本人都無法接受。比如,史瓦西從引力場方程中求出了黑洞,這讓愛因很尷尬,因為愛因一貫反對黑洞的存在。再後來,白洞、蟲洞、奇點都從愛因斯坦方程中冒了出來,其本質就是由曲率所形成的一種特殊類型。

五、預言引力波

愛因斯坦就是通過求解自己的引力場方程,預言了引力波的存在。具體是如何求解的呢?愛因斯坦採用了弱場近似的方式。先打個比方,我們在中學都學過單擺,它的運動方程就是非線性的,因為裡面有sinθ這個項,但如果這個單擺擺動的幅度特別小,也就是這個θ特別小,那麼sinθ就近似於θ了。一旦在運動方程中將sinθ換成θ,方程就線性化了,就好處理了,也就成了簡諧運動了。但一定要注意,這個單擺的幅度一定要特別小。

引力場方程本身是非線性的,非常難以求解,但如果我們假設這個引力場很弱,換成愛因的話就是這個時空彎曲的程度很低,那麼我們就可以把方程線性化,這就叫弱場近似。這個尺度要掌握的非常微妙,如果太弱就成牛頓的情況了,再強一點兒就成非線性了,就要弱得恰到好處,彷彿黛玉葬花一般。

一旦進行了這樣的處理,愛因斯坦方程直接就變成波動方程了,意味其方程解是正弦sin和餘弦cos所構成,這個解就是曲率波,也就是所謂的引力波,這就是傳說中的愛因斯坦預言了引力波,而且還算出引力波就是以光速來傳播的。這里插播一句,此番雙中子星合併所產生的引力波和電磁信號幾乎是同時抵達地球,說明了引力波與電磁信號一樣,都以光速進行傳播,證實了愛因斯坦的預言。

我們再看看引力波的樣子。它是個四極引力波,啥意思?首先從解的形式看,引力波是個橫波,就是它的震動方向與傳播方向是垂直的。而且它有有兩種偏振,每個偏振中又有兩個偏振方向,所以一共是四個偏振方向,它們之間的夾角是45度。大家腦海中是否能呈現出這樣一圖景:在XY平面上,一個空間曲率在四個方向來回收縮,同時又將這個收縮沿著Z軸向前傳播。這就叫四極輻射的引力波。

我們在這里再舉個例子,來形象地看看四極輻射的引力波。神話中常說,某大神是三頭六臂,而這個四極輻射的引力波就是無頭八臂,怎麼講。想像一個沒有頭的大神,但是他有八條胳膊,也就是四雙胳膊,然後想像這四雙胳膊都伸展開,每雙胳膊都形成一條直線,是不是就呈現出四條交叉的直線,而且他們之間的夾角還是45度,就是八條胳膊均分了平面上的360度。好了,現在伸直四雙胳膊的大神開始向前走了,而且還是以光速向前走的,走的同時,四雙胳膊還來回收縮,這就是四極輻射的大神,也就是四極輻射引力波。

我們再隆重一些,上個數學公式。因為我們終究要關心這個引力波是否能探測到,所以這里就給出這個引力的輻射功率:

輻射功率-dE/dt={κ/(45C5)}(d3Dik/dt3)
(d3Dik/dt3)

其中κ是那個引力常數,D就是系統的質量四極矩,C當然是光速。大家主要看一下這個公式的氣質,分母上竟然是C的五次方,這個輻射功率低的彷彿是蚊子的喃喃細語,怎麼可能觀測到。所以愛因斯坦雖然預言了引力波,但他認為是無法驗證的。

但愛因這樣想也有問題,你這是弱場近似下得到的結果。場子很弱,當然引起的引力波也很弱,如果是一個很強的場子,那麼他發出的引力波,是不是就有可能探測到了呢?

但是到哪裡去找這樣很強的場子呢?我們太陽系就是個弱場,因為太陽質量不大,其他行星更是不足為論,所以太陽系的時空曲率很小,這就是牛頓為何在這里橫行了幾百年。那誰質量特別大呢?這里就要有請黑洞粉墨登場。

大家想像黑洞是什麼東西,就是質量極大,同時體積還賊小,它對周圍時空會產生多大的彎曲,簡直就是就把時空快要彎斷了,換句話說,它形成的引力場特別強大,黑洞能提供強場,尤其是黑洞雙星系統,那可是強中之強。

所謂黑洞雙星系統,就是兩個黑洞互相繞著對方轉。可以想像,每個黑洞在嵌入的表面形成了深坑,也就是極大的時空曲率,當黑洞互相繞著對方旋轉時,兩個轉動坑產生出極大變化的曲率波,以光速向外傳播。這兩個黑洞的場子,是我們現在能想到的最強的引力場,或者說是最大麴率,那麼這種曲率的變化所引發的曲率波,或者說是引力波,就可以特別特別大,這樣地球上的人類就有觀測到的可能性了。此番LIGO就是觀測到了雙黑洞合併所傳來的引力波。

兩個黑洞為何會合併?大家想想,兩黑互轉釋放引力波,那是要消耗自身能量的,也就是變化的時空曲率把能量帶走了。雙黑能量一降低,就保持不了那個距離了,就要靠近一點兒。或者這樣理解更容易,向外傳播的引力波會對黑洞產生反衝力,就像開炮時會有後坐力一樣。黑洞一被反衝,兩個黑洞就會靠的更近、轉的更快,這樣雙方就會以螺旋式地慢慢落向對方。而且越是靠近,就會轉的越快,放出的曲率波就越強,失去的能量就越多,最終兩個黑洞以接近光速融為一體,這就是黑洞合併。

太壯觀了,可惜我們都沒見過,黑洞里連光都出不來,怎麼可能去觀測。但是,有一個東西出來,誰啊?曲率波,而且這個引力波的強度還特別大,尤其是在雙黑合併的那瞬間,超級大,這就為人類檢測到引力波提供了可能。

六、引力波探測的內在邏輯

那地球人到底怎麼觀測宇宙中傳來的引力波呢?剛才我們一直在說引力波實際上是曲率波,是時空彎曲程度不斷變化的傳播,所以當它傳過來後,我們的時空就會一張一弛、一松一緊。具體來說,引力波會在一個方向上拉伸,另一個方向擠壓,拉伸和擠壓是振蕩的。當引力波的波峰到達時,是上下拉伸、前後擠壓,當波谷來臨時,就變成了上下擠壓、前後拉伸,如此反覆不已。這樣的話,我們不就可以觀測了嗎?

但大家要注意,雖然黑洞合併釋放了巨大強度的引力波,但是黑洞里我們太遙遠了,所以當引力波傳到我們這里,早已沒有往日的雄風。具體來說,兩個黑洞合併所產生的引力波對地球物體所產生的變形只有物體大小的1/1021 。小到了這種程度,真讓人有點兒絕望,而且已經雙黑洞合併的級別了,這還怎麼測?

滄海橫流、方顯英雄本色;曲波渺小、偏有韋伯要測。1959年,約瑟夫.韋伯手提一根長2米的鋁棒,要用它測量遙遠宇宙傳來的引力波。韋伯提著2米的鋁棒子,要去測量曲率波,這太有畫面感了,我腦海中浮現的不是堂吉訶德,而是當陽橋前、喝退百萬曹兵的張翼德。

韋伯是這樣想的,一旦引力波襲來,就會擠壓和拉伸鋁棒子的兩端。當然這裡面還用到了共振的原理,很復雜,就不深究了。十年後,1969年6月韋伯向全世界莊嚴宣布:我發現了引力波。但是,因為其觀測不具有可重複性,所以沒得到承認。但韋伯作為觀測引力波的先驅,獲得了世人的尊敬。

六十年代時,有兩個蘇聯人建議用干涉儀來測。再後來美國人外斯設計出了干涉儀探測器,從此棒子時代結束,激光干涉儀探測引力波的時代到來了。此番LIGO測到引力波正是用的這種激光干涉儀,具體方式已經很多人說過了,我在此不再贅述。

現在我要解答這樣一個困惑。也是我最早的困惑,就是LIGO檢測到了一個信號是不假,但憑什麼說這一定是引力波帶來的擾動,為何不是其他噪聲引起。尤其令我感到困惑的是,LIGO還繪聲繪色地說,這引力波是兩個黑洞合併所產生的。

困惑原因在於,我們人類就沒有直接觀測到任何黑洞,因為它連光都出不來,你憑啥去觀測;但有人說,我們可以觀測黑洞發出的引力波,問題是引力波我們之前也沒有觀測到。我們用兩個都沒有觀測到的東西、都是從愛因斯坦方程中解出來的東西,竟然要互相證明對方的客觀存在性,這個在邏輯上是允許的嗎?

我通過翻閱了LIGO發表的論文,事情原來是這樣的:LIGO及其他機構的科學家早就在理論上構建了雙黑洞合併的數學模型,然後對它倆高速環繞、最終合併的過程進行了計算機模擬,並計算出所發出的引力波的波形。這個波形有其自身的特點。換句話說,如果一旦LIGO從宇宙獲得了一個信號,而且這個信號與其計算機算出的波形幾乎一致,它反過來就會說:這個信號就是引力波,而且是兩個黑洞合併所產生的引力波。

為了解釋這個邏輯,我再打個比方。我們在現實中沒有見過饕餮這種怪獸,也沒有見過誰能一次把兩噸蘋果吃完。但我們通過神話發現,饕餮可以一次性吃完兩噸蘋果,而且連蘋果核都會吃進去,但會留下蘋果把兒。於是我們把兩噸蘋果放在在一個曠野里,來觀測饕餮的出現。結果有一天,我們發現兩噸蘋果都沒了,就只剩下了一堆蘋果把兒,於是我們莊嚴宣布:我們觀測到了饕餮、證明了饕餮的存在。就是這個邏輯。

這個推理是合理的,但有bug。萬一麒麟也可以這樣吃兩噸蘋果,發現饕餮的結論是不是就出問題了?所以LIGO發現引力波的是否正確,取決於計算機模擬出來的信號的確具有極大的特殊性,特殊到非黑洞合併不可能有這種波形的程度,那才能斷定所接受同樣波形的信號才一定是引力波信號。

此番雙中子星合併所產生的引力波在很大程度上彌補了這個bug。但是,引力波的發現的確是填補了廣義相對論的最後一塊拼圖,但這是否意味著廣義相對論已被證實,請閱讀我另一篇關於引力波與廣義相對論的回答

七、雙中子星合併:引力波和電磁波

北京時間10月16日,全球科學家聯合宣布:首次探測到雙中子星合併產生的引力波,及其光學對應體。

之前LIGO和Virgo一共探測到4次引力波新號,但都是來自雙黑洞合併的引力波信號,不但持續時間特別短、只有不到一秒種,而且沒有伴隨的光信號可以佐證,因為在黑洞區域,光信號是出不來的。

而此番中子星合併就非常不同,不但其引力波信號長達100秒,而且還伴隨了各種電磁波信號,從而進一步佐證了引力波信號的真實性,故而引發全球天文學界的一陣狂歡。

這兩個中子星是在1.3億年前發生合併的,因為它倆距離地球1.3億光年,所以我們現在才觀測到。這比LIGO首次探測到了引力波要發生的晚的多,那兩個黑洞是13億年前合併的。從這兩個例子我們可以感受到,通過觀測引力波我們可以了解宇宙的過去、宇宙的起源,甚至為宇宙大霹靂理論找到新的證據。事實上,科學家利用此番中子星合併的各種數據,重新計算了哈勃常數,發現與之前的預估值一致,這說明我們過去對宇宙膨脹速度的推算基本正確。

目前物理學家期待能夠在未來觀測到黑洞與中子星合併的引力波信號,甚至能觀測到白矮星合併的信號。其實任何物體加速運動都會改變時空曲率、從而導致引力波,但質量太小物體所產生引力波信號微乎其微、難以探測,只有質量非常大的天體才會發出可被探測的引力波信號,例如超新星爆發、兩個黑洞合併、兩個中子星合併,白矮星的質量相對小一些,但隨著探測儀器精度的不斷提高,未來也有希望「聽到」、「看到」白矮星的合併。

引力波的探測和發現,將天文學帶入一個新的時代。

最後,向引力波研究做出貢獻的科學家致敬,同時謝謝各位的閱讀。

胡先笙微信號:
victorshenglizi,加微信後,將拉入群、與大家一同探討。

(微信昵稱「笙栗子」)

新浪微博:東方胡先笙

Aorqu相關回答

如何評價 LIGO 科學團隊宣布探測到引力波及其影響?—-胡先笙的回答


油飛:

我們的「理工女」專欄剛好兩個月前寫過一篇文章:http://zhuanlan.zhihu.com/stemgirls/20283789

作者:聶品,湖北黃岡人,華中科技大學物理學大學部,現南洋理工大學物理博士,城市小區域大氣方向。曾在德國普朗克愛因斯坦研究所實習。

圖:模擬兩個融合中的黑洞產生的引力波。來源:NASA

就在昨晚,筆者與小夥伴們一起圍觀了LIGO的新聞發布會,見證了一個新紀元的開端。「我們探測到了引力波!是的,我們做到了!」 多少人在此時此刻熱淚盈眶!

這次觀察到的黑洞融合的事件,其實早在1993年出版的一本書里就有預測。93年出生的我,在其中感受到了科學家們為探索世界所作出的長久而不懈努力。我想,這次發現的意義遠超過一個諾貝爾獎,也不僅僅是對愛因斯坦廣義相對論的一個驗證,而是為引力波研究的世界開啟了一扇大門。

我心裡最激動的,大概是大陸的引力波研究應該會從此蓬勃發展;衷心希望我們的科學家們——如中國引力物理學界的領軍人物羅俊院士等——也能見證到自己的探測器探測到引力波的那一天!

以下為舊文重發,希望能為大家科普一下引力波究竟是什麼,以及目前的幾種探測方法。

今年七月,曾有這樣一條科學新聞短暫地吸引了公眾的眼球——「諾貝爾獎級研究計劃啟動,中大百萬年薪全球尋人!」 這一由中山大學領軍的項目,有一個好聽而意味深長的名字:「天琴計劃」。該項目致力於探測引力波,而將其稱為諾獎級別的研究計劃並不為過。

筆者有幸認識大陸參與組建「天琴計劃」的幾位老師,並曾在德國普朗克愛因斯坦研究所(Max-Planck Institute for Gravitational Physics/ Albert Einstein Institute)的引力波探測天線組(eLISA)做過暑期實習,因此對引力波及其探測工作有所了解。在此,我想為大家介紹一下基礎物理學里這個有趣的方向。

引力波是什麼?

談起引力波,就必須先講講愛因斯坦廣義相對論下的四維時空。在愛因斯坦的思想里,引力不再是普通的力,而被理解成時空結構的彎曲。比如地球繞太陽公轉這一運動,可以想像成在一個橡膠膜中間丟一個大質量的球,然後這個平面就凹陷下去了,於是地球本身的直線運動就會隨著空間結構的改變,變成繞太陽的旋轉。在2013年的大學生物理學術競賽(CUPT)中,我也曾做過這個實驗。

模擬彈性空間。來源:2013年國際青年物理學家競賽 IYPT

大質量的物體會改變空間的結構,而加速運動的物體則可能產生一種能改變空間結構的波。這一般被稱為時空漣漪,也就是引力波(gravitational wave)。

引力波作為愛因斯坦廣義相對論的四個預言之一(其他三個是:引力場內的時間膨脹,光的引力紅移,以及引力時間延遲效應),是最後一個被直接觀測到的現象。1935年,納森·羅森和愛因斯坦共同將著名的愛因斯坦場方程簡化到二維圓柱狀宇宙後,獲得了這個方程的解析解。正是在這個解析解中,他們發現了引力波的存在。

起初,科學界包括羅森和愛因斯坦自己在內都不相信引力波在實際意義上真正存在。他們起初將其解釋為在解方程過程中因坐標選擇而產生的人為產物,並嘗試發表論文聲明這一觀點。不過,霍華德·羅伯特遜,一位對廣義相對論非常了解的美國數學物理學家,在審閱他們的論文後,一針見血地指出這一觀點存在錯誤,並駁回了那篇論文。而後,在與愛因斯坦的討論中,羅伯特遜說服了愛因斯坦。然而直到七十年代,「引力波是真實存在的」這一觀點才幾乎被所有的物理學家所接受。[1]

根據愛因斯坦的預測,引力波經過的地方,時空的結構會發生波動性的改變。想像空間里的一個正方形,原本每個邊的長度是相同的,當引力波經過的時候,會擠壓或拉伸這個正方形,而使得它的邊長發生非常非常微小的變化。測量兩個方向上的距離改變,也就是測量引力波的基本原理。但是,由於這種改變非常微小,測量也就非常非常困難,以至於有時科學家們也會懷疑最終是否能夠測量到引力波。據說,一個激光干涉引力波天文台項目的領頭人曾在講座上說,「有時候我在床上躺在老婆旁邊,就在想,天哪,過去的20年我花了國家那麼多錢,卻沒有測到引力波。為什麼我還好好地活在這里? 真應該自殺去!」

二十多年的努力卻沒有探尋到結果, 的確很讓人絕望。不過,科學家們始終堅持不懈,也是因為有點底氣。1974年,拉塞爾·赫爾斯在他博士最後一年寫論文的時段,跑到康奈爾大學的阿雷西博天文台做訪問學者,其間與約瑟夫·泰勒合作做了大量關於脈沖星的研究,並在其中發現了脈沖雙星PSR B1913+16。通過對其長期的觀測和深入研究,他們發現雙星之間的距離在以每天7.42mm左右的速度縮短,且周期在緩慢地衰減,說明能量在耗散。而能量的耗散,正是引力波存在的間接證據!因為這項成就,他們被授予1993年的諾貝爾物理學獎。

如何探測引力波?

跟電磁波譜一樣,引力波也有很多波段。

引力波譜。來源:NASA

不同波段上的引力波源,有不同的探測方法。例如來自宇宙大霹靂最初期暴漲階段的原初引力波: [2] 去年有新聞報道位於南極的BICEP2(宇宙泛星系偏振系統成像二代 Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2)測到了原初引力波信號,物理學界很是激動了一段時間。

原初引力波。來源:The BICEP2 Collaboration

理論上講,原初引力波會讓光線有一種特殊的偏振模式,於是科學家預言在微波背景輻射中能看到這種模式的旋(curl)。在南極的BICEP2設備上,科學家們的確觀察到了微弱但明顯的如上圖所示的旋。由於數據的極大相似度,旋的存在是毫無疑問的了。可是最終普朗克天文項目[3]發表報告,否認了這是原初引力波的直接證據,因為引力波並非這種旋存在的唯一緣由,還有可能是星際間的塵埃所致。這也是高能物理和宇宙學等物理分支中常存在的挑戰:即使觀測到了一個信號,也必須完全排除其他的可能性,找到充分且必要的證據,才能下結論。

另外一種探測引力波的方法是利用脈沖星(一種能持續發射射電波束的中子星)。經過計算推導預測,兩個星系中心巨大黑洞環繞而發出的引力波信號是10-8赫茲這個量級,而針對這個量級的引力波主要是藉助脈沖星來進行觀測的。脈沖星因其高速旋轉且周期穩定,在天文學上被用來記時。在毫秒脈沖星的發現之後,記時的精度更是大大提升。由於脈沖星的自轉軸和磁軸一般不重合,當有電磁波束掃過地球時,就能接收到一個脈沖。於是,科學家們使用地面上的射電望遠鏡觀測大量的脈沖信號,試圖在其中察覺到由於引力波引起的時間漲落,從而尋找引力波存在的證據。

而地面上的LIGO(以及設計略有不同的地面引力波探測激光干涉儀,包括德國的GEO,義大利的VIRGO,和日本的TAMA)和天上的LISA則都是使用激光干涉儀精密測距的方法來測量引力波。簡單來講,通過邁克爾遜干涉儀(下圖)來測量空間結構中兩個方向上的距離是否發生了微小改變。

邁克爾遜干涉儀。來源:維基百科

早在1999年,美國就在地面上搭建起來了兩座激光干涉儀引力波探測器,分別位於路易斯安那州和華盛頓州;但期間一直沒有探測到信號。於是他們停止工作了五年來升級系統,並在今年不久前完成更新,開始了首次觀測。由於靈敏度提高了3倍,測到引力波的可能性大大提高。就在昨晚,它們終於觀測到了引力波,實現了歷史性的突破!

激光干涉引力波天文台。來源:LIGO

而要想實現太空中的引力波探測天線的搭建工作,預計還需要二十年的時間去達到這一技術水準,也就是現在更名的eLISA計劃和大陸今年剛起步的「天琴計劃」[5]。有興趣的孩子們可以關注一下哦,也許以後能去那邊工作呢!

eLISA目前的計劃是一顆主衛星,兩顆副衛星,主衛星和副衛星之間相距1,000,000km,有來回兩所束激光,分別形成類似於上文提到的邁克爾遜干涉儀的一個臂。

引力波探測天線。來源:ESA

由於在太空中,引力波探測器可以有效地避免低頻段的干擾,因此引力波探測天線能夠精確測量10-4~10-1赫茲頻段的信號。而根據理論物理學家們的計算,這個範圍內的引力波源會非常多,也就是說,測量到引力波的可能性會大大增加。

不過,為了實現引力波探測天線項目,有很多事情需要一步步去完成。目前我們已經能做到測量10-18米這么小距離的改變,大概是原子核直徑的千分之一[6]。可是這還遠遠不夠;太多技術上的細節需要一步步測試和打磨。比如經過長距離的傳播,激光擴散到較大的面積之後,如何提高接受到的光信號強度?比如等效於邁克爾遜干涉儀上鏡子的測試物塊,需要完全隔除其他力的影響,怎樣才能實現?於是今年ESA(歐洲空間局)即將發射一顆名為LISA探路者的衛星,上面搭載了縮小版的激光干涉儀,主要改進在於臂長縮小了,如下圖所示。

LISA探路者內部細節,上圖最後全裝載到一個衛星裡面去。來源:ESA

在非常非常多的技術問題中,我參與的其實就是其中一個接受光信號的光電探測器(邁克耳孫干涉儀裡面的「detector」)。遠處傳來的微弱光信號通過望遠鏡聚焦成較小的光束,然後與本地的一束激光合束,干涉產生拍頻信號。光電探測器接收到這個信號後,先將光信號轉化成電信號,再將其中的直流量和交流量分開。接下來,通過放大電路將非常小的交流量進行大倍數的放大之後,再交給後面的相位計。從相位計中,我們就可以讀到由於距離改變而產生的相位改變。

哪怕是這么一個小部件,為了達到非常低的噪聲和足夠高的放大倍數,也得花上不少功夫去測試和優化,才能做出滿足要求的高性能光電探測器。類似地,很多應用在引力波探測器上的技術,對相關的每個細節都提出了高於目前工業界的要求,這也側面促進了技術的發展。

在下一步行動中,激光干涉儀技術將使用在地球重力場測量的GRACE Follow-on[7]的兩顆衛星上,一方面可以在已經能夠派上實際用途的衛星項目中提高其測量精度,另一方面也是引力波探測計劃的一次很好的測試機會。

搭載激光干涉儀精密測距技術的地球重力場測量衛星 Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on。來源:ESA

科學家們就是這樣一步步去實現這個大計劃,相信中國將來的參與也會加快這一進程。

最後談一點小小的感受和做一個廣告: 這種程度的項目,跟大型粒子對撞機(LHC[8])一樣,需要的不僅僅是物理學家,還包括理工科各個領域的人才。比如大學部時我的科研組裡面,就有光電專業、機械專業和電子專業的博士學生。而我大學部畢業設計做的光電探測器,其實交給電子專業的人來做會更有效率。「天琴計劃」的招聘方向里是這么寫的:

1)引力理論:廣義相對論,引力理論,宇宙學等

2)空間引力實驗:月球激光測距,無拖拽控制,空間任務系統模擬和數據分析

3)精密測量技術:精密光學機械設計與分析,低噪聲電子技術等

所以工科的妹子如果以後有興趣,歡迎申請,你可以親身參與到引力波探測計劃中來哦!

其實我剛進組的時候,曾覺得大家做的事情很不可思議。甚至到現在,我也還是會覺得很多物理科研組在做不可思議的事情,比如尋找上帝希格斯粒子(higgs boson)和研究量子計算機等等。也許引力波探測在其他人眼中也是如此高深莫測甚至匪夷所思吧。

我想,物理學家就是這么一群執著、堅定、理性而常常不被理解的人。但是如果認真去了解的話,你會發現他們都在兢兢業業地挑戰極限,不斷打磨每個細節,不斷提出新的方法和技巧,並一步步地接近和實現自己的夢想。

如今,引力波終於被直接探測到;在不久的將來,說不定我們能像《三體》中所描述的一樣,讓引力波真正派上用場呢!

參考文獻

[1] 引力波是如何從理論中發現的:科學松鼠會

[2] 原初引力波相關報道:解讀宇宙微波背景輻射B模偏振 暴漲產生原初引力波

[3] 普朗克天文項目關於否認實際探測到原初引力波的聲明:Planck: gravitational waves remain elusive / Planck / Space Science / Our Activities / ESA

普朗克天文項目:宇宙背景輻射各向異性測量衛星,Planck衛星是WMAP衛星的後繼者,於2009年升空,2013年剛剛開始發布數據。Planck的觀測精度已經逼近所謂「宇宙方差」(cosmic variance)的極限

[4] 引力波搜尋重啟:引力波搜尋重啟

[5] 天琴計劃相關報道:中國啟動引力波探測「天琴計劃」

[6] YouTube Chanel: LISA Mission

[7] GRACE Follow-on http://gracefo.jpl.nasa.gov/mission/

[8] 大型強子對撞機:大型強子對撞機

[9] Barke, S., et al. (2015). “Towards a gravutatuibak wave observatory designer: sensitivity limits of spaceborne detectors.” Classical and quantum gravity 32(9): 095004.

[10] Usefully tutorial about Gravitational Wave: School of Physics and Astronomy, Welcome to Einstein Online, Gravitational wave spectrum

[11] One way to get involved, Einstein@home: https://einstein.phys.uwm.edu/

[12] To design your own gravitational observertary: GWO Designer

[13] LISA Pathfinder: LISA Pathfinder overview / Space Science / Our Activities / ESA

[14] eLISA: eLISA – Make History (A New Astronomy

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杜子川:

希望來一個和我能產生引力波的,探測不到女友的引力波正常,如果探測到了那豈不是女友在和別人約會!不能忍!

況且我現在還沒有女朋友—,—

—————手機添加分割線————-
不請自來,獻上幾幅圖,純屬逗樂。

手機黨,分割線就算了。

自製邁克爾遜干涉儀。

iphone背板反射的效果還真不錯,激光筆換了南孚電池以後光強也增加了。右邊哪個小鏡子是口紅上的,奈何自由度太低,只能我手動調節了。

接下來是效果圖

三個光點,最後一個凸透鏡把從鏡子反射回來的光匯聚了,所以右側回來是兩個彌散斑,iphone反過來一個。

當然了,想出效果那是完全沒可能,純屬過年在家閑的無聊。引力波測量的那個系統,臂長就有4km,我這就是個玩具。那個系統對各種因素的要求簡直極為苛刻,光是減震這一項,如果沒有極好的可靠性,海浪拍打加州沿岸,甚至幾公里外大卡車經過都有可能對整個系統造成影響。

(大家可以試試用激光筆照一個鏡子,離遠一點,使勁往地上踩一腳,然後觀察之前與之後反射光的位置)

其實我做這個想說的是,我女朋友的引力波呢,怎麼還不來,我胳膊都舉酸了,挺急的線上等。


王爾東:

不多說,直接上圖,情人節版。我朋友加速器學家@Ao Liu 畫的。


匡世珉:

@Jing Ming的回答補充一個視訊:

Einstein’s Gravitational Waves Found At Last—線上播放—優酷網,視訊高清線上觀看 http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ2OTg1NzI0OA==.html
在引力波發現被確認之後,理論物理學家Brian Greene製作了一個簡短的科普視訊,我剛剛把它轉到優酷上了。出處是:https://www.facebook.com/AlbertEinstein/videos/10153660858099843/

很直觀,但是英文的。馬上上課,暫時來不及翻譯了。

那麼就這樣=w=

更新:

剛剛Prof發來一篇紐約時報的文章,裡邊也有一個很棒的視訊,由Dennis Overbye、Jonathan Corum與Jason Drakeford製作。我也轉到了優酷上:

Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein』s Theory—線上播放—優酷網,視訊高清線上觀看 http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ2OTg4ODkyNA==.html
出處:http://www.nytimes.com/2016/02/12/science/ligo-gravitational-waves-black-holes-einstein.html?ribbon-ad-idx=10&rref=homepage&module=ArrowsNav&contentCollection=Politics&action=keypress®ion=FixedRight&pgtype=article


混沌大學:

早在100年前,愛因斯坦就預測了「引力波」的存在。

但他同時說:我不認為人類可以測量它。

在愛因斯坦提出「引力波」存在之後的20年,他自己又寫了一篇題為「引力波真的存在嗎」的論文,來否定自己之前的想法。

是什麼讓世界上最聰明的科學家如此糾結?

我們首先來看一下,LIGO觀測到的「引力波」到底是什麼?

以下根據對LIGO探測器和觀測引力波具有決定性貢獻,並因此獲得2017年物理學諾貝爾獎的Barry Barish教授在混沌大學的課程整理而成。

一、「引力波」是什麼?

上面這張圖就是LIGO探測到的「引力波」圖形。順便說一下這個圖形在美國已經非常地流行了,這個圖案被印在年輕人的T恤上,我們相信在中國也很快會流行起來。

這三行圖形分別代表什麼意思?

第一行是我們設置在Hanford(漢福德,華盛頓州南部城市)的探測器探測出的「引力波」圖形,中間這個是設置在Livingston(利文斯頓,位於距離漢德福3000公里以外的路易斯安娜州城市)的探測器探測出的圖形。最後一個是把兩者疊加,我們看到了7毫秒的波形偏離。

根據我們的計算,這一波「引力波」先到達了利文斯頓(Livingston),經過7毫秒的時間差之後到達了漢福德(Hanford)。

這個「引力波」是如何產生的?

讓我們回到13億年前,那時候地球上的生物正在從單細胞生命向多細胞生命過渡的階段,人類還不存在。在人類還沒有出現的這個時候,宇宙中發生了這樣一件事情。

在宇宙中出現了兩個「黑洞」,我們看到這兩個黑洞的大小不太一樣,因為它們兩個的質量是不一樣的。

說到這里還必須給大家解釋一下什麼叫「黑洞」,「黑洞」是如何產生的?

大家也許聽到過一個叫做「超新星」的詞。

比如說太陽,太陽是一個不停進行核反應燃燒的天體,核反應會釋放能量,能量能夠讓星體非常熱,溫度適宜的時候除了能夠創造生命以外,還能使天體的分子膨脹,被向外推出,與此同時,物體的重力又會把分子推進來,所以這裡面形成了一種微妙的平衡,因此天體是在燃燒和引力之間的一個平衡。

但是核反應是需要燃料的,燃料最終是會被燒光的,比如這個天體可能先燃燒最輕的部分,接下來燃燒稍重一點的部分,但是最後這個燃料就沒有了。一旦燃料枯竭之後,這個天體就會塌陷。

有很多天文學家在觀察天象的時候,會突然間看到天空中出現了一顆非常明亮的星星,但是過幾天,就發現這個星星明顯變暗,再過一段時間就已經消失了。這就是我們所說的「超新星」。

如果這個星體足夠大,假設它比太陽還要大個三到四倍的樣子,如果這個星星塌陷了,因為它的質量特別大,突然塌陷到一個面積極小的地方,這裡面就會產生一個非常大的引力,這個引力如此之大,以致於所有進去的東西都不可能再出來了。這個地方就叫做黑洞。

現在,我們回到13億年前的這個故事,這里有兩個黑洞,它們的直徑大約在50公里-60公里,大概比北京的面積還要小,它們之間的距離是幾百公里,不到北京到上海的距離。

每一個黑洞的質量都是太陽質量的30倍,不是地球,是太陽的30倍,這么大質量的東西被存放在北京面積這么小的面積里,形成了一個非常緻密的天體。

這兩個天體在它們圍繞著彼此互相旋轉的時候,通過輻射「引力波」而損失能量,最後發生了碰撞,合併成一個巨大的黑洞。

在這過程中產生的「引力波」在宇宙中進行了很長很長時間的旅行,在13億年後,終於到達了地球。引力波經過地球時帶來了時空的扭曲,地球在時空的扭曲中會出現高矮胖瘦的變形,你會發現地球在改變形狀,高一點、胖一點、高一點、胖一點……

當然我們人類在地球上是看不到這種變形的,但是如果我們建立起足夠緊密的工具的話,把這個工具放在地球上,你就能探測到「引力波」,正如LIGO所做的那樣。

二、為什麼要研究「引力波」這種微不可測的現象?

「引力波」的研究是物理世界知識的邊緣,聽起來好像特別抽象,無法應用,好像不是什麼需要大家知道的事情。

但是我會給大家舉兩個例子,幫助大家了解,我們為什麼要做這方面的科學?歸根到底其實是,新技術是非常寶貴的資源,它和人們經常做的開發性公司息息相關。

  • 愛因斯坦相對論和GPS

愛因斯坦在1916年就提出了關於廣義相對論的體系,當時甚至沒有多少科學家明白什麼是廣義相對論,這的確是一個非常難的主題。事實上,科學能夠抽象到這個程度,可能就到了盡頭了。

但是廣義相對論可以有一些非常好的應用,有一個就是平時大家會經常使用的GPS。

GPS就是用六個衛星去定位你的位置在地球上的哪裡。它依靠衛星裡面的原子鐘提供的精確時間來實現精準定位。

根據愛因斯坦的狹義相對論,高速移動物體的時間流逝要比低速物體的時間流逝要慢。每個GPS衛星時速為1.4萬公里,因此衛星原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。

但是廣義相對論認為引力對時間施加的影響更大,GPS衛星位於高空大約2萬千米的地方,它所受的重力只有地面的四分之一,因此,時鍾每天要快45微秒。

兩者綜合的結果是,衛星時鍾每天大約比地面鍾快38微秒。這些在地面上走的極其精確的鐘表到了高空走得非常不準,導致地面上的定位出現了非常嚴重的誤差。

當這項誤差得到了糾正以後,我們會非常吃驚地看到你可以在路面上很快地找到你要去的地方。所以GPS這樣一種非常常見的現代技術的應用,就是因為100年前,愛因斯坦提出了相對論的概念。

  • 激光和CD

另一個故事是關於激光。

激光來自於哪裡呢?激光的歷史並不長,它是50年前才被發現的,最初的目的是為了激發物體的特性。

當人們發現了激光之後,人們只是知道了有了這種東西,但是並沒有作為一種工具,只是在10年或者是20年之後,才有一個人想到了這種東西可以有應用。第一個應用就是用這種強大的光束去進行物體切割。

今天我們的CD播放軟體等等都可以使用激光,CD產業已經成為了200億美元的現代產業。

三、「引力波」將開啟宇宙大航海時代

長期來看,我們認為「引力波」會改變我們探索宇宙的方法。

我們以前研究宇宙的方式都是用電磁波的方式,以後我們就可以利用引力波設備對宇宙進行更低頻的研究,去發現大霹靂時的宇宙情況,從長期來講,我們看到「引力波」可能帶來的未來非常令人興奮。在今後幾十年或者是一百年,就像是開啟了一個新的宇宙大航海時代。

「引力波」會不會影響到現實生活,我沒有辦法預測。我不知道是不是下個月就會有這方面的應用。我認為,「引力波」可以用於通訊,和其他的行星進行對話等等,但是現在我沒有辦法作出預測,要等下一代人來實現。

我能告訴大家的就是,我們越多地理解這個物理世界,我們就能夠更好地掌握這個物理定律,改變我們的生活。這就是我們為什麼要持續去推進新技術的原因。我們開發出來的技術會越來越推進技術,並且最終會變成產品。

以上由Barry Barish在混沌大學的課程內容整理而成,有刪節。關注「混沌大學」,私信關鍵詞「引力波」,即可獲得完整課程視訊。

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荊棘林蔭:

怎麼剛才答那麼多都沒發上來?……

好吧重新寫一下,力求簡單。以後應該先寫好了復制過來。

引力波是愛因斯坦廣義相對論理論的推論之一。(PS:不要告訴我廣義相對論是錯的,那樣我會精神崩潰的,如果您認為廣義相對論不靠譜……那求你別告訴我……)

愛因斯坦廣義相對論有很多的推論,均被實驗一一證實,就差這個。所以測量引力波是現在物理研究的熱門領域。至今沒有實驗測量到引力波。

既然說到波,就不能離開波源,任何波都有波源。例如聲波,波源是電腦旁邊的音箱,馬路上的汽車,或者打呼嚕的旁邊睡覺的逗比。例如光波,波源是燈泡,顯示器,或者太陽。而引力波的波源,是質量……嗯,就是這樣。越大質量的物體形成的引力波振幅越大。好像有點抽象了……下面慢慢講清楚……

需要注意的是,引力波,是存在於時間+空間的四維時空中的,來自四維時空的形變。你揉皺一張紙,是二維空間形變。壓扁一塊麵包,是三維空間形變。而引力波,是在時間+空間的四維空間中傳播的,來源於時間+空間的變形。在這里,時間也是如同空間一樣,可以被擠壓變形的東東……愛因斯坦他老人家就是構造了這么復雜的理論,這屬於廣義相對論的時空觀,在這里時間也是如同空間一樣,是可以變形的,嗯,就醬。大家可以試著想想最近的《星際穿越》,男主角最後進到一個時間+空間的房間中。引力波就是在時間變形+空間變形,這種形式傳播的。

於是引力波的傳播介質,就是時間+空間。

我發誓下台筆記本換Mac,這破windows在我打字的時候後台安裝更新,用起來一卡一卡的。強迫症患者,必須開著自動更新。

繼續……

所以引力波的圖像,就是一個巨大質量的物體,例如太陽,行星,在時間+空間四維空間中激發的波。一般來講只有類似太陽,這種質量非常大的天體激發的引力波才有可能被實驗觀測到。所以現在實驗上就是在試著測量太陽的引力波。

實驗的idea非常簡單,就是大家喜聞樂見的邁克爾遜干涉儀,大家普通物理課程里應該講過。邁克爾遜干涉儀,就是將一束光分成兩束,分別經過不同的光路,最後匯合到一處,由於經過不同光路時候產生相位差,最後發生干涉效應。

那麼現在測量引力波,就是兩束光分別經過了不同的時間和空間,產生不同相位,最後匯合時候干涉。如果引力波存在,那麼兩束光經過的時間和空間不同,就會在最後產生干涉條紋。

於是就做吧。這台干涉儀大約多大呢?大概……嗯,每個光軸長度怎麼說也要比地球直徑大些吧。

我2333,這么大的干涉儀,你逗比么?

就是需要這!么!大!的!怎麼辦?

衛星!搞三個衛星,分別是激光器,和兩個反光鏡,在宇宙中形成一個人類製造的最大的邁克爾遜干涉儀!這涉及到非常高的航空航天技術,這三個距離超過地球直徑的衛星,要組成干涉光路。話說做物理實驗時候大家是不是都被擺光路虐哭過,這里你可以類比下這項工程的難度,需要多…少…錢…

雖然搞科研是不計成本,可是這也太貴了吧……所以是不是好幾個國家聯合起來搞這么個東東比較好。於是這個計劃就提出來了,提交各個國家,看大家什麼意見。然後就談的差不多了,準備實施,然後就經濟危機了,然後這個計劃就被取消了……

於是就這樣擱下來了。

大陸的話有幾家大學在做,我知道的是武漢的華中科技大學,有很大一個團隊在做,他們有一個山洞實驗室。idea就是在山洞裡能夠隔絕各種電磁輻射和噪音,看能不能通過干涉儀看到點什麼。非常歡迎有志於探測引力波的同學加入他們。他們還有一個方向,就是做衛星上用的光學儀器的。

就答這么多吧。


imawesome:


PHD Comics: Gravitational Waves Explained


飲冰:

據說這是米國科學家繪制的最新引力波幾何模型


chohiro:

實驗上探測有一種方法是利用光力學(optomechanics),項目名稱是LIGO(激光干涉引力波探測),簡單來說就是把一個光腔的一端做成可移動的(幅度很小)鏡子,引力波來了會帶動這面鏡子,光腔的特性會有所改變,從而檢測出相應信號。不過為了提高靈敏度,要先冷卻這面鏡子以減弱鏡子位置的布朗運動。
這個項目組給學生上課的課件網上有,題主有興趣可以查檢視。


Aorqu用戶:
探測引力波有現成的分散式計算項目,Einstein@home,
網址: Einstein@Home

有興趣參與的可以下載BOINC軟體參與這個項目,發現雙子星的會頒發實體證書給參與計算的志願者。


HandJ:

歪個樓~

蟹蟹 @區先森 提供靈感來源= ̄ω ̄=
原文鏈接:區先森 100字內能寫出怎樣萌萌噠的故事? – 區先森的回答


陽洋:

用干涉儀進行科學探測的基本原理是比較光在其相互垂直的兩臂中度越時所用的時間。

當引力波在垂直於干涉儀所在的平面入射時,由於特殊的偏振特性,它會以四極矩的形式使空間畸變,也就是說,會以引力波的頻率,在一個方向上把空間拉伸,同時在與之垂直的方向上把空間壓縮,反之亦然。對於激光干涉儀來說,當引力波通過時,干涉儀相互垂直的兩臂所在的那部分空間自然也產生拉伸或壓縮效應。也就是說,引力波會使干涉儀的一臂伸長而同時又使另一臂縮短。比較光在相互垂直的兩臂中度越時所用的時間的變化,就能探測引力波產生的效應,從而知道引力波是否存在。激光干涉儀引力波探測器的工作原理如圖 所示。

從激光器發出的一束單色﹑頻率穩定的激光,在分光鏡上被分為強度相等的兩束,一束經分光鏡反射進入干涉儀的一臂(稱為Y臂),另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一臂(稱為X臂),在經歷了幾乎相同的度越時間之後,兩束光返回,並在分光鏡上重新相遇,並在那裡產生干涉。若兩束光的度越時間相等(或時間差為光振動周期的整數倍)則兩束光在光探測器上干涉減弱呈暗條紋,而返回激光器的那個合光束則是干涉加強呈亮條紋。精心調節干涉儀的臂長使兩束光完全相干相減,則探測器探測不到光強,激光干涉儀引力波探測器的輸出信號為零,這就是探測器的初始工作狀態。

原則上講,激光干涉儀引力波探測器是一台「變異」的邁克爾遜干涉儀,其相互垂直的兩臂各有一個法布里-珀羅腔,並帶有光循環鏡和其他功能部件。如果不考慮法布里-珀羅腔﹑循環鏡及其他部件的作用,激光干涉儀引力波探測器就可以簡化成一台單次往返的邁克爾遜干涉儀。
從激光器發出的一束單色﹑頻率穩定的激光,在分光鏡上被分為強度相等的兩束,一束經分光鏡反射進入干涉儀的一臂(稱為Y臂),另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一臂(稱為X臂),在經歷了幾乎相同的度越時間之後,兩束光返回,並在分光鏡上重新相遇,並在那裡產生干涉。若兩束光的度越時間相等(或時間差為光振動周期的整數倍)則兩束光在光探測器上干涉減弱呈暗條紋,而返回激光器的那個合光束則是干涉加強呈亮條紋。精心調節干涉儀的臂長使兩束光完全相干相減,則探測器探測不到光強,激光干涉儀引力波探測器的輸出信號為零。這是探測器的初始工作狀態。
當引力波到來時,由於它獨特的極化性質,干涉儀兩個臂的長度做相反的變化,即一臂伸長時另一臂相應縮短,從而使兩束相干光有了新的光程差,破壞了相干減弱的初始條件,有一定數量的光線進入光探測器,使它有信號輸出,該信號的大小正比於引力波的無量綱振幅h,探測到這個信號即表明已探測到引力波。

激光干涉儀引力波探測器的基本光學結構​joi.usst.edu.cn图标Five Physical Origins of LIGO Interference Phase Shift​image.hanspub.org

資料來源:激光干涉儀引力波探測器的基本光學結構,引力波探測原理札記:LIGO干涉相移的 五個起源


蒼原雪:

給題主推薦一本書:《愛因斯坦尚未完成的交響樂》。

這本書從引力波最基本的理論、歷史開始最終講到了LIGO的建設、運行和後續一系列探測儀器。我去年讀的,還沒見過比這個好的講引力波的書。


土豆泥:

題主,我發現這個youtube的視訊正好能解決你的問題:
圖稍多,小殺流量,有中文字幕
尊重原創:https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg



匿名用戶:
我第一次看到這三個字是

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