對引力波與黑洞的認識(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上對引力波與黑洞的認識 摘 要：在物理學(xué)中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結(jié)果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。黑洞（Black hole）是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會失效。本文將針對這兩個概念進行初步闡述。 關(guān)鍵詞：引力波；黑洞；愛因斯坦相對論 一、時空中的漣漪 牛頓的萬有引力定律揭示了引力與萬物的關(guān)系，愛因斯坦的廣義相對論則將引力與四維時

2、空的彎曲性質(zhì)聯(lián)系在一起。物質(zhì)的質(zhì)量使得四維時空彎曲，彎曲的時空又影響其中物體的運動，使其運動軌跡成為曲線而非直線。例如，一大片無限擴展的彈性網(wǎng)格上，大球的質(zhì)量使網(wǎng)格下陷，小球在變形的網(wǎng)格空間中作圓周運動才不至于繼續(xù)往下掉。大球的質(zhì)量越大，?W格的變形程度就越大。兩個球的質(zhì)量相差很大，小球的質(zhì)量可以忽略。這種系統(tǒng)可以看成是大球不動，小球圍著大球轉(zhuǎn)。這時候網(wǎng)格下陷的形狀基本保持固定，整個系統(tǒng)有一個相對穩(wěn)定不動的公轉(zhuǎn)中心，類似于太陽系。是，如果兩個球的質(zhì)量差不多，都非常大，那就應(yīng)該是兩個大球互相繞著轉(zhuǎn)圈。彈性網(wǎng)格兩個下陷最深的位置隨著時間不停地改變，使得網(wǎng)格的形狀也作周期變化，然后，這種變化又影響到

3、距離兩球更遠處的網(wǎng)格形變。如此牽連下去，使得周期變化傳向四面八方，形成“網(wǎng)格波”。上面“網(wǎng)格波”（或漣漪）的比喻用到四維彎曲時空中，便是LIGO在2015年9月14日探測到的引力波。以上例子中的彈性振動引起的“網(wǎng)格波”，是一種機械波。四維時空中也有類似“網(wǎng)格”的幾何量，稱之為度規(guī)。引力波便是時空度規(guī)變化之傳播而形成的。 二、愛因斯坦的等待 然而，宇宙中存在大的引力波源，比如中子星和黑洞等，在某個特定的時候便有可能輻射出強大的引力波。盡管這些星體一般都遠離地球，從而引力波到達地球時已經(jīng)有很大衰減，但仍然有可能被我們探測到。體發(fā)出的引力波的頻率與波源的質(zhì)量有關(guān)。科學(xué)家們針對不同頻率的引力波，建造了

4、三類不同的接收器。一類接收器是針對宇宙大爆炸中的暴漲模型所預(yù)言的“原初引力波”。哈佛設(shè)在南極的BICEP2探測器就是為這個目的。它對引力波的探測是通過觀測和分析宇宙微波背景輻射（CMB）而實現(xiàn)的。一類引力波的頻率特別低，只有十萬分之一赫茲到一赫茲?？茖W(xué)家們認為接受這一類引力波的最好辦法是通過空間衛(wèi)星陣列來探測。歐洲的LISA項目便以此為目標。像LIGO團隊使用的這類地面的大型激光干涉裝置，目標則指向雙中子星和雙黑洞，接受頻率范圍定在幾十到幾千赫茲的頻段。就像本文一開始所舉的例子中兩個巨大質(zhì)量繞著轉(zhuǎn)圈的情形，那種情形不同于穩(wěn)定的太陽系，時空度規(guī)的周期變化將以引力波的形式傳播到四面八方。輻射出的引

5、力波攜帶著能量和角動量，又將使得雙星系統(tǒng)互相旋轉(zhuǎn)的速度加快，距離縮短，時空的度規(guī)波動也變得更大，形成一段短促而異常激烈的融合過程。雙黑洞變成一個質(zhì)量更大的黑洞，并且輻射出巨大能量的引力波。如今，物理學(xué)家們在經(jīng)過了長久的努力之后，終于探測到了引力波，這是愛因斯坦在天國里也“夢寐以求”的東西，他已經(jīng)等待了整整一百年。 三、引力波到黑洞 有關(guān)黑洞的探討，可以追溯到兩百多年前的經(jīng)典力學(xué)時代。當時的科學(xué)家，比如拉普拉斯，把此類天體叫做“暗星”。首先于1783年提出“暗星”概念的英國人米歇爾，是一位地質(zhì)學(xué)家，卻對天文感興趣。根據(jù)拉普拉斯和米歇爾的預(yù)言，如果星體的質(zhì)量M足夠大，它的逃逸速度ve將會超過光速。

6、這意味著即使是光也不能逃出這個星球的表面，那么，遠方的觀察者便無法看到這個星球，因此，它成為一顆“暗星”。當初他們得出這個結(jié)論是根據(jù)牛頓的光微粒說，計算基礎(chǔ)是認為光是一種粒子。有趣的是，后來拉普拉斯將這段有關(guān)暗星的文字從該書的第三版中悄悄刪去了。因為在1801年，托馬斯?楊的雙縫干涉實驗使得大多數(shù)的物理學(xué)家們接受了光的波動理論，微粒說不再得寵，于是拉普拉斯覺得，基于微粒說的“暗星”計算可能有誤，新版的書中最好不提為妙。1915年，愛因斯坦建立了廣義相對論。緊接著，物理學(xué)家史瓦西首先為這個劃時代的理論找到了一個球?qū)ΨQ解，叫做史瓦西解。這個解才為我們目前現(xiàn)代物理學(xué)中所說的黑洞建立了數(shù)學(xué)模型。 天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系的中央都存在一個超重黑洞。我們的銀河系也是如此。在距離地球26 000光年的地方，其實也就是靠近銀河系的中心處了，有一個人馬星座，也叫射手座，人們在這個星座所觀察到的星星的排列方