超越时空-爱因斯坦的预言引力波是如何产生的?
我们先看看引力波的历史:1915年,爱因斯坦发表了场方程,建立了广义相对论。一年之后,史瓦西发表了后来被用来解释黑洞的爱因斯坦场方程的解。1963年,克尔给出了旋转黑洞的解。1974年脉冲双星 PSR1913+16的发现证实了致密双星系统的引力辐射完全与广义相对论的预言一致。2016年2月11日,LSC(LIGO科学合作组织,LIGO Scientific Collaboration)向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波,并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。
操作方法
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什么是引力波? 广义相对论告诉我们:在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化时,会产生引力波。在宇宙中,有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空,扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动。打个比喻,如果将时空看成一张大橡胶膜,用小球代替天体,被放在橡胶膜上时,球的质量会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁边再放一颗球,两颗球分别造成的“时空弯曲”会让它们逐渐滚向对方。当它们互相加速运动时,产生的“涟漪”就是引力波。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件都会形成强大的引力波。由此,在物理学上,引力波被赋予如诗般的名字——宇宙中泛起的“时空涟漪”。
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1915年,爱因斯坦提出的广义相对论,认识到引力是一种非常特殊的相互作用。广义相对论论证的一个重点就是,引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年,爱因斯坦又在广义相对论框架下发表论文,论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。引力波最初只是爱因斯坦的一个理论构想,来源于方程式的推导,而非真实的实验观察。爱因斯坦认为,由于引力波肯定纯在,但是太过微弱,以当时的科技它无法被探测到。
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我们都知道,波(或者波动)是我们生活中一种很常见的现象,如水波、声波、电磁波等。和常见的波现象相比,引力波在广义相对论中是以四维时空结构的扰动向外传播能量的方式存在的。三维的物体对于我们是比较直观的,而四维时空无非就是加上时间箭头,要我们把时间和空间统一起来看:正在靠近并相互绕转的大质量天体会对时空造成较大扰动,会以引力波的形式向外辐射能量:
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北京时间2017年10月16日22:00(美国东部时间10月16日10时),LIGO-Virgo 科学合作组及全球各主要天文台同步发布重大天文学发现:首次直接探测到了由双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号——GW170817。 此次发现也标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其它望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,开启了期待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学也为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。
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在此之前,人类已经四次探测到引力波 ,但信号都是来自双黑洞合并,而这次换成了中子星,同时也是 人类第一次使用引力波天文台、电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着天文学进入一个新时代。