宇宙電影之聲引力波

宇宙電影之聲引力波第1頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

如果宇宙是一部電影，那么引力波就是電影的聲音。愛因斯坦認(rèn)為，人類生活在一個(gè)充滿了引力波的宇宙之中，恒星的爆炸，黑洞的碰撞以及其它強(qiáng)烈的宇宙事件制造了引力波，從而可能改變時(shí)間和空間。然而，迄今為止，人類還沒(méi)有確定的探測(cè)到這些引力波，人們都還在努力探尋中....

第2頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

引力波

引力波源

探測(cè)引力波

美國(guó)引力波實(shí)驗(yàn)室

什么是引力波？

預(yù)言引力波第3頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六預(yù)言引力波——從經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論

牛頓結(jié)合了哥白尼，開普勒，伽利略的理論提出了萬(wàn)有引力定律，解決了許多他那個(gè)時(shí)期的難題，包括潮汐產(chǎn)生的原因，地球和月亮的運(yùn)動(dòng)，以及彗星的軌道問(wèn)題。雖然牛頓的理論解釋了什么是引力，但是，在隨后的300年中，引力產(chǎn)生的原因仍然是個(gè)謎。隨著科學(xué)家們發(fā)展出更好的天文學(xué)工具，他們發(fā)現(xiàn)他們的觀察結(jié)果跟牛頓理論預(yù)言的有些微的差別。比如說(shuō)，牛頓理論對(duì)于水星運(yùn)行軌道的預(yù)測(cè)與實(shí)際觀察的結(jié)果稍微有些不同。此外，牛頓的理論也不能對(duì)如下問(wèn)題作出一個(gè)令人滿意的解釋：如果太陽(yáng)突然消失，將會(huì)發(fā)生什么事？第4頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六根據(jù)牛頓的理論，整個(gè)宇宙都會(huì)立刻覺察到太陽(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。可是，愛因斯坦以詳細(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)先飛離軌道。19世紀(jì)末期，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)同于當(dāng)時(shí)對(duì)于宇宙的描述。實(shí)際上，他們中大部分認(rèn)為物理學(xué)的研究已經(jīng)相當(dāng)完善，所剩下的也只是將一些細(xì)枝末節(jié)了解清楚即可。第5頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六但問(wèn)題是許多所謂的細(xì)枝末節(jié)都是些不能用當(dāng)時(shí)的理論給予解釋的觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果。其中之一就是實(shí)驗(yàn)中對(duì)光速的測(cè)量結(jié)果總是在每秒30萬(wàn)公里(也就是時(shí)速18.6萬(wàn)英里)。因此，科學(xué)家們認(rèn)為，因?yàn)榈厍蚴窃趪@太陽(yáng)運(yùn)行，如果我們沿不同方向測(cè)量光的速度，將得到不同的結(jié)果。1895年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并且出乎意料地末能發(fā)現(xiàn)光在不同方向的傳播速度有任何的差異。第6頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

愛因斯坦在1905年解釋了這個(gè)現(xiàn)象，他認(rèn)為不同于車的速度，光的速度是恒定的，不會(huì)隨觀察者的移動(dòng)而變化。愛因斯坦的狹義相對(duì)論中第一條定律就是光速是恒定的，完全不依賴于觀測(cè)者及光源的速度。在接下來(lái)的幾年，愛因斯坦繼續(xù)研究狹義相對(duì)論的細(xì)節(jié)。這時(shí)，他開始考慮怎樣將牛頓的引力理論溶入到新理論中。愛因斯坦認(rèn)識(shí)到在地球上自由下落的人就像太空中的宇航員一樣感覺不到地心引力的作用。他也認(rèn)識(shí)到在恒定加速上升的火箭中，人將感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。第7頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六愛因斯坦認(rèn)識(shí)到既然兩種力是相同的，物理學(xué)法則在兩種情況下也都是適用的，這需要修改對(duì)于引力的定義。愛因斯坦認(rèn)為引力并不是牛頓所想的那樣。他認(rèn)為物體之所以會(huì)互相吸引是因?yàn)橹氐奈矬w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。愛因斯坦的廣義相對(duì)論的基本假定是地球上的物體感受到的地心引力和遠(yuǎn)離大質(zhì)量物體、恒定加速的物體所感受到的力是完全相同的。時(shí)空被大質(zhì)量物體扭曲第8頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

愛因斯坦通過(guò)數(shù)學(xué)方法發(fā)現(xiàn)時(shí)空結(jié)構(gòu)是彈性的，就像蹦床。想像在蹦床中心放一個(gè)保齡球。球的重量將使蹦床中部下陷。而蹦床邊緣的輕物體，比如網(wǎng)球，將沿著曲面移向保齡球-就像行星圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行。蹦床的下陷描繪了大質(zhì)量物體如何扭曲時(shí)空。網(wǎng)球的移動(dòng)路徑說(shuō)明了物體在扭曲時(shí)空沿最短路徑移動(dòng)。牛頓認(rèn)為地心引力是兩個(gè)物體間的神秘作用力，而愛因斯坦認(rèn)為它反映的是時(shí)空的扭曲。蹦床的下陷描繪了大質(zhì)量物體如何扭曲時(shí)空。網(wǎng)球的移動(dòng)路徑說(shuō)明了物體在扭曲時(shí)空沿最短路徑移動(dòng)。牛頓認(rèn)為地心引力是兩個(gè)物體間的神秘作用力，而愛因斯坦認(rèn)為它反映的是時(shí)空的扭曲。

第9頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣義相對(duì)論的預(yù)言之一是光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量物體時(shí)會(huì)彎曲。大質(zhì)量物體會(huì)扭曲它們周圍的時(shí)空，以至任何物質(zhì)，即便是光，在穿越時(shí)空時(shí)也將按彎曲的路線行進(jìn)。1919年，阿瑟·艾丁頓通過(guò)在日全食時(shí)測(cè)量太陽(yáng)邊緣處的星光對(duì)這個(gè)預(yù)言進(jìn)行了驗(yàn)證。他的結(jié)果完美地符合了愛因斯坦的預(yù)言。這也是對(duì)愛因斯坦理論的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，并使他在科學(xué)界和公眾中迅速成名。第10頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六什么是引力波？為了了解什么是引力波，我們回到前面的問(wèn)題：如果太陽(yáng)突然消失，將會(huì)發(fā)生什么事？根據(jù)廣義相對(duì)論，行星之所以環(huán)繞太陽(yáng)是因?yàn)樗鼈冄貜澢鷷r(shí)空的最短路線行走。如果太陽(yáng)突然消失，它周圍的時(shí)空會(huì)發(fā)生改變。依據(jù)愛因斯坦的理論，在水星附近的時(shí)空會(huì)比在冥王星附近的時(shí)空先發(fā)生改變，所以水星會(huì)先飛出軌道。這些時(shí)空的改變以引力波的形式傳遞。第11頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六把引力波想象成投入池塘中的石頭引起的水波可能會(huì)幫助理解。當(dāng)石頭投入水面時(shí)，在石頭周圍的水就立刻被擾動(dòng)，并且擾動(dòng)會(huì)從那里傳播到其他地方。相似的，大質(zhì)量物體的質(zhì)量或者速度的突然改變會(huì)擾動(dòng)周圍的時(shí)空，然后這些擾動(dòng)會(huì)用引力波的形式傳播出去。引力波的藝術(shù)想象畫第12頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

定義：引力波(Gravitationalwave)，臺(tái)灣學(xué)界稱為重力波，英文中有時(shí)也寫作gravitywave；但更多場(chǎng)合中，gravitywave是留給地球科學(xué)與流體力學(xué)中另一種性質(zhì)迥異的波動(dòng)。關(guān)于萬(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。引力波想象圖第13頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六引力波源當(dāng)時(shí)空結(jié)構(gòu)的曲率發(fā)生變化的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生引力波。既然時(shí)空結(jié)構(gòu)的形狀僅取決于質(zhì)量的分布，能夠改變質(zhì)量分布的事件就能夠?qū)е乱Σǖ漠a(chǎn)生。因?yàn)闀r(shí)空結(jié)構(gòu)并不是富有彈性的，要產(chǎn)生我們能探測(cè)到的引力波將需要相當(dāng)多的能量。還記得保齡球的比喻嗎？時(shí)空結(jié)構(gòu)就像一張僵硬的蹦床，你只有將相當(dāng)重的物體放在上面蹦床才會(huì)下陷。第14頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六就像池塘中的水波，引力波在產(chǎn)生后的傳播過(guò)程中也會(huì)損失能量。這就是在地球上難以探測(cè)到它們的原因-必須是以接近光速的速度運(yùn)行的超重天體，才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的引力波供我們探測(cè)，然而這些天體往往都離地球相當(dāng)遠(yuǎn)?？茖W(xué)家們認(rèn)為通過(guò)LIGO和GEO我們也許能探測(cè)到來(lái)自中子星、超新星和碰撞黑洞的引力波第15頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六兩個(gè)大質(zhì)量的恒星或黑洞相互繞對(duì)方運(yùn)行，就構(gòu)成了一個(gè)雙星系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)星體螺旋狀地相互靠近時(shí)，它們將以產(chǎn)生引力波的形式損失能量。星體靠得越近，產(chǎn)生的引力波也越強(qiáng)，當(dāng)兩個(gè)星體最終相撞，將產(chǎn)生非常強(qiáng)的引力波信號(hào)。

雙星系統(tǒng)中的星體可以是恒星、黑洞或兩者的組合。第16頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

超新星是指具有超大質(zhì)量的恒星所產(chǎn)生的猛烈的爆炸。當(dāng)一個(gè)超重恒星燒盡了它自身的燃料，就會(huì)開始?？s。如果?？s過(guò)程不是沿著完美的球形，超新星將在瞬間發(fā)出強(qiáng)烈的引力波。第17頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

超新星爆發(fā)后可能會(huì)留下一個(gè)極高密度、快速旋轉(zhuǎn)的、幾乎完全由中子構(gòu)成的核心，即中子星。中子星并不是完美的球形，在快速的旋轉(zhuǎn)過(guò)程上將產(chǎn)生引力波。一些中子星變成了脈沖星，即發(fā)射電磁波的星體，它們也可能會(huì)產(chǎn)生引力波。第18頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如果中子星再進(jìn)一步?？s，它將可能成為一個(gè)黑洞。這時(shí)，星體產(chǎn)生的引力是如此之大以到?jīng)]有任何物體能逃脫它的束縛，黑洞對(duì)外界唯一能提供的信息就是通過(guò)引力波的形式。第19頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六探測(cè)引力波

引力波存在的最初證據(jù)來(lái)自于1974年Arecibo觀測(cè)站的天文學(xué)家們對(duì)沿軌道互繞對(duì)方運(yùn)行的兩個(gè)星體的觀測(cè)結(jié)果。研究人員在對(duì)這些星體進(jìn)行了多年的觀測(cè)后，發(fā)現(xiàn)星體繞對(duì)方運(yùn)行的周期在慢慢地減短?？茖W(xué)家小約塞夫·泰勒和拉賽爾·赫爾斯猜測(cè)雙星運(yùn)行周期的變化是由于引力波的產(chǎn)生導(dǎo)致了能量的損失。他們用數(shù)學(xué)方法得的雙星運(yùn)行周期的變化量正好符合天文學(xué)家們的觀測(cè)結(jié)果。1993年泰勒和赫爾斯因此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第20頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第21頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六赫爾斯和泰勒的獲獎(jiǎng)工作來(lái)源于在世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡所探測(cè)到的無(wú)線電信號(hào)。該望遠(yuǎn)鏡位于PuertoRico的Arecibo觀測(cè)所。第22頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六約瑟夫·韋伯在六十年代后期搭建了第一個(gè)共振質(zhì)量探測(cè)儀。之后也有許多人搭建了類似的探測(cè)儀，但至今仍末成功探測(cè)到引力波。約瑟夫·韋伯正在共振質(zhì)量探測(cè)器前工作。

引力波探測(cè)儀器第23頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六用鋁棒探測(cè)引力波的示意圖

第24頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六大多數(shù)共振質(zhì)量探測(cè)儀是由巨大的圓柱形鋁棒構(gòu)成。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)鋁棒時(shí)，鋁棒的長(zhǎng)度將有所改變。鋁棒會(huì)從引力波中吸收能量并產(chǎn)生振動(dòng)。鋁棒周圍的感應(yīng)器將檢測(cè)到這些振動(dòng)并將它們轉(zhuǎn)化為可供分析的電信號(hào)。鋁棒一般放置在真空中，并保持極低的溫度以抑止噪音。振動(dòng)的幅度依賴于引力波的強(qiáng)度。因此，科學(xué)家們能夠通過(guò)測(cè)量振動(dòng)的幅度來(lái)得到引力波的強(qiáng)度。建造共振質(zhì)量探測(cè)儀不像建造激光干涉計(jì)探測(cè)儀那么昂貴。但它們只對(duì)特定的有大量背景噪音的引力波源敏感。大多數(shù)引力波探測(cè)項(xiàng)目都是使用更為靈敏的激光干涉計(jì)探測(cè)儀而不是共振質(zhì)量探測(cè)儀。第25頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六激光干涉計(jì)中有“L”型放置的兩條臂。每條臂上均放置了一些透鏡，在兩臂交會(huì)的地方有一個(gè)分束器。激光進(jìn)入分束器后，分束器將光分為兩半后分別送往兩臂。兩束激光在重新會(huì)合前將在鏡子間多次反射。當(dāng)兩束光重遇后將發(fā)生干涉，并形成一個(gè)依賴于兩條光路光程差的圖樣。感應(yīng)器將對(duì)這個(gè)圖樣進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。因?yàn)橐Σ〞?huì)改變這個(gè)干涉圖樣，研究者們將通過(guò)檢測(cè)圖樣的變化以搜尋引力波。科學(xué)家們還將比較分布在世界各地的干涉計(jì)的檢測(cè)結(jié)果，以判別信號(hào)是真地來(lái)自引力波還是來(lái)自于本地的干擾。激光干涉計(jì)第26頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六激光干涉計(jì)探測(cè)儀的示意圖第27頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位于美國(guó)的LIGO觀測(cè)所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對(duì)封閉在1.2米直徑的真空管中的4公里長(zhǎng)的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，只有一對(duì)2公里長(zhǎng)的臂。這二套LIGO干涉儀在一起工作構(gòu)成一個(gè)觀測(cè)所。這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來(lái)像引力波信號(hào)，如果是此類干擾信號(hào)，其記錄將只出現(xiàn)在一臺(tái)干涉儀中，而真正的引力波信號(hào)則會(huì)被兩臺(tái)干涉儀同時(shí)記錄。所以，科學(xué)家可以對(duì)二個(gè)地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個(gè)信號(hào)是噪聲。LIGO從2003年開始收集數(shù)據(jù)。它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測(cè)所。一系列的升級(jí)計(jì)劃將更進(jìn)一步提高其靈敏度引力波觀測(cè)激光干涉儀LIGO第28頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

鳥瞰華盛頓州漢福的LIGO第29頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六鳥瞰路易斯安娜州李文斯頓的LIGO第30頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六鳥瞰

GEO600觀測(cè)所

GEO600是位于德國(guó)漢諾威的一個(gè)引力波觀測(cè)站。GEO600擁有一套干涉儀，該干涉儀有一對(duì)封閉在60厘米直徑的真空管中的600米長(zhǎng)的臂。GEO是2002年開始運(yùn)作的一個(gè)英德合作計(jì)劃?？茖W(xué)家們聯(lián)合了分布于LIGO、VIRGO(日本/意大利)和TAMA(日本)的干涉儀共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然GEO600比LIGO要小，但它在設(shè)計(jì)上采用了當(dāng)前最為前沿的先進(jìn)技術(shù)以提高其靈敏度。2007年LIGO也將在采取一些措施對(duì)其設(shè)備進(jìn)行升級(jí)第31頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六美國(guó)引力波實(shí)驗(yàn)室介紹

激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的最大規(guī)模項(xiàng)目之一，處于發(fā)現(xiàn)引力波研究的最前沿。該探測(cè)器備有對(duì)質(zhì)子極度敏感的超長(zhǎng)激光器，其敏感度足以記錄下相對(duì)微弱的引力波。以下是加利福尼亞理工學(xué)院四個(gè)LIGO實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部一瞥。第32頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第33頁(yè)，共43頁(yè)，20