关于引力波的探测与未来前景

关于引力波的探测与未来前景在我们身边存在着各种各样的波。

池塘里碧波荡漾、大海中波浪滔天，这是我们看得见的水波；小提琴琴声缭绕使人心潮澎湃，老师讲课发出的声音，这是听得到、看不见的声波；地震时房屋倒塌，地动山摇，这是我们听不到也看不见，但破坏力极强的地震波。

除此之外，在我们身边还有五彩斑斓的光波、传递信息的无线电波等等。

那么在神秘的宇宙间，还存在这一种既看不见，又摸不着，甚至很难探测到的一种波——引力波。

在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。

时空命令物质如何运动，而物质引导时间如何弯曲。

如果把时空想象成一张巨大的橡胶膜，有质量的物体会让橡胶膜弯曲，就像在蹦床上扔了一个保龄球。

质量越大，时空被引力波扭曲的越厉害。

就好比太阳系，太阳的质量非常大，导致周围的引力波发生扭曲，时空大大形变而产生了巨大的涟漪，而地球与其他行星正位于这涟漪之内。

如果你想在这样的形变下走直线，最终你会发现你实际上是在绕着形变的中心也就是发出引力波的中心绕圈。

轨道就是这么来的，并没有什么力拉着行星绕圈，而是时空的扭曲导致行星在绕圈。

所以从某种意义上来讲行星是在这段时空内做直线运动，只不过时空是弯曲的罢了。

有质量的物体一加速，改变
了时空中的扭曲，引力波随之而生。

任何有质量的物体并且有能量的物体都能产生引力波，要是我们绕着操场跑一圈，我们也会产生时空的涟漪。

但是由于我们的质量太小，那些引力波太微不足道了，实际上根本无法被探测到。

就像前不久LIGO科学合作组织在2月11号直接探测到了引力波，而此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。

这两个黑洞的直径都在150公里左右，它们不断靠近，旋转，并最终合并成一个黑洞。

两个黑洞一个达到太阳质量的29倍，一个为太阳质量的36倍。

据推测，两个黑洞的合并发生在13亿年前，合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵达地球。

据推测，两个黑洞以1/2光速的速度相撞后合并。

二者在合并的过程中释放出约3个太阳质量的能量，这些能量以引力波的形式辐射出去。

在穿过13亿光年之后到达地球，最为时空的涟漪，也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一，也相当于将太阳系到我们最近恒星之间距离改变了一个头发丝的宽度。

这种及其微小的变化，如果不借用异常精密的探测器，我们根本是探测不到的。

所以对于我们的质量来说，完全不可能将我们所释放的的引力波探测到。

那么，LIGO是如何探测到引力波的呢？首先，它采用的是激光干涉的思路。

如果你我之间的时空被拉伸或者压缩了，仅凭我们去观察地上等距的标记，是不可能的。

因为这
些标记间的距离被拉长了。

但是有一把尺的量度不会变，就是利用光速的尺。

如果两点间的距离被拉伸了，光就需要更长的时间从这头跑到那头，而如果是被压缩了，光则需要更短的时间来到达。

这就是LIGO的出发点。

它有4公里长的真空隧道，用激光来测量从隧道这头到那头距离的变化。

当有引力波传来时，它会把时空在一个方向上拉长，而在另一个方向上压缩。

通过测量从不同的点反射回的激光产生的干涉条纹，我们就可以非常精确地测量这之间的距离是拉伸了还是压缩了，而精度之高让人难以想象，要达到测量引力波的要求，我们需要分辨在长度上1023分之几的变化，好比分辨一根1021米的杆子上2mm的压缩。

1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。

广义相对论中预言了引力波会产生于强引力场的天体事件。

引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的，可以传播至很远的宇宙空间。

引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了引入了相互作用的传播速度有限的概念。

相比之下，引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中，因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。

在高中物理课本中，选修3-4中即有对相对论与天体物理的初步介绍。

在前不久的2月11日，美国当地时间上午10点30分（北京时间2月11日23点30分），美国国家科学基金会
（NSF）召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO 科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波。

美国科研人员宣布，他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO）于去年9月首次探测到引力波。

这一发现印证了物理学大师爱因斯坦100年前的预言。

而前面已经提过，这次被探测到的引力波来自于双黑洞合并。

引力波的发现意义重大，从科学意义上看，引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。

广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。

学界普遍认为，引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。

它开启了人类探索宇宙的一扇大门，一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制，揭开宇宙诞生早期的奥秘。

LIGO的创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯说，“引力波的发现漂亮地印证了爱因斯坦在100年前的预言。

如果我们有机会告诉他这件事，我真想看看他脸上的表情。

”
在哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡看来，人类此前的天文学发现都好似“眼睛”，而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”。

他表示，引力波携带大量信息，它的发现可帮助科研人员更好地了解黑洞。

那么在我们的宇宙当中，什么样的天体才能够撼动产生可以探测到的引力波呢？对于地面上的探测器，通过认为下面的四种可以产生：
（1）旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。

比如中子星或者黑洞的双星系统。

非常类似于发布会当中的系统。

（2）快速旋转的致密天体。

这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量，它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。

可能的候选体包括非对称的中子星之类的。

（3）随机的引力波背景。

非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射，这一类背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴涨是的遗迹。

2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波，但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。

原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证，对于它的探测依旧在努力寻找之中。

（4）超新星或者伽马射线暴爆发。

恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。

而直接探测到来自于这些天体的引力波，将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。

以上的天体都能够产生地面探测器所探测到的引力波信号（频率大约几到几百赫兹）。

还有一类天体，也能够产生比较较
强的引力波，只是产生的频率比较低而已（频率在0.01赫兹以下）。

（5）超大质量黑洞。

在星系的中心，我们知道会有一个超大质量黑洞的存在。

星系在演化的过程当中，会彼此合并，所以在某些星系中间，会有两个黑洞。

非常类似于LIGO所探测到的双恒星级黑洞，这两个双黑洞在绕转和最终的合并的之时，也会产生很强的引力波。

这种引力波可以利用空间探测器来探测。

目前，世界各国各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中，除了这次直接探测到引力波的advanced LIGO以外，还有众多的其他引力波天文台。

位于意大利比萨附近，臂长为 3千米的VIRGO；德国汉诺威臂长为600米的GEO；日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。

这些探测器曾在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。

所以之后这些探测器就进行了重大升级，两个高新LIGO（升级版的LIGO）探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测，而高新VIRGO（升级后的VIRGO）也将于2016年年底开始运行。

日本的项目TAMA300进行了全面升级，将臂长增加到了3公里，改名为叫KAGRA，预计2018年运行。

因为在地面上很容易受到干扰，所以物理学家们也在向太空进军。

欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）。

eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角
形，同样使用激光干涉法来探测引力波。

此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项，目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行。

作为先导项目，两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功，目前正在调试之中。

中国的科研人员，在积极参与目前的国际合作之外之外，也在筹建自己的引力波探测项目。

目前，我国主要有三个大型引力波探测项目，一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士作为首席科学家的太极计划，它非常类似于欧洲eLISA计划。

另外一个太空计划是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”，相比较太极，它将位于地球之上的10万公里轨道处，三个卫星的间距也是大约在10万公里之上。

第三个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，阿里实验计划是在计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望
远镜，从地面上聆听原初引力波的音符。

这些项目现在预研阶段。

神秘的宇宙在吸引着我们，无数的谜题正等着我们去一一解开。

相信有了引力波的发现，在不久的将来，我们一定可以探索到宇宙不为人知的一面，揭开宇宙的各种谜团，了解宇宙诞生早期的奥秘。

高一16班
李张瀚。