宇宙电影之声引力波

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1、LOGO 宇宙电影之声宇宙电影之声引力波引力波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 .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

2、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？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

3、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。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。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

4、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。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

5、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

6、间的神 秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空的扭 曲 。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 。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

7、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。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 定义： 引力波(Gravitational wave)，台湾学界 称为重力波，英文中有时也写作 gravity wave； 但更多场合中，gravity wave是留给地球科学与

8、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 引力波源v 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。 v 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

9、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 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。 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

10、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。 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。 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。 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

11、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。 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 Puerto Rico 的 Arecibo 观测所。 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

12、波。 约瑟夫韦伯正在 共振质量探测器 前工作。 引力波探测仪器用铝棒探测引力波的示意图 v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。 v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。 v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

13、振质量探测仪。v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。 v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。 v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 。 激光干涉计激光干涉计探测仪的示意图v 位于美国的 LIGO 观测所拥有两套干涉仪，一套安放在路

14、 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。 v 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

15、灵敏度引力波观测激光干涉仪 LIGO鸟瞰华盛顿州汉福的 LIGO鸟瞰路易斯安娜州李文斯顿的 LIGO鸟瞰 GEO 600 观测所 GEO 600 是位于德国汉诺威的一个引力波观测站。 GEO 600 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 GEO 600 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 。LOGO