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关于引力波探测科普知识介绍前言2015年9月14日，位于美国的激光干涉引力波天文观测台（LIGO）从实验上探测到引力波。经过严格、细致的分析和论证，2016年2月11日，LIGO合作组织对外公布了这一消息。由此，在世界范围内产生了巨大的轰动。这一探测事件被命名为GW150914。2017年8月14日，美国与意大利VIRGO第四次探测到引力波。维斯德雷佛基普-索恩巴里什德雷佛与维斯是对引力波探测贡献最大的两个人。但他不幸于2017年3月7日去世，与诺贝尔奖失之交臂。关于引力波的预言100年前，爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在。爱因斯坦本人曾对引力波是否存在过疑问，不过他最终还是相信引力波的存在。但他也指出，引力波非常弱，很难被探测到。一百年来，物理学家一直没有中断探测引力波的努力。首先需要指出，广义相对论是一个非常抽象、复杂的理论。即使是物理学家，真正懂广义相对论的人也很少。我自己也只知皮毛。今天，只是给大家做一个简单的定性的介绍，和大家共同讨论。有错误之处，请大家指正。这次引力波的探测其实和引力波没有什么关系，这是一个纯粹的光的干涉问题。引力波的作用只是改变了干涉的条件，使我们看到了干涉图样的变化，从而探测到引力波。什么是引力波（定性理解）广义相对论认为，质量巨大的物体会使周围的四维时空弯曲。当质量的分布发生变化，或物体运动时，弯曲时空的曲率发生变化，并向四周传播，产生涟漪，这就是引力波。引力波的速度与光速相同。引力波的动画视频引力波引力波2引力波3这是一个力学四极矩。四极矩的辐射强度远低于二极矩。所以，引力波的辐射很弱。引力波潮汐效应源于此。什么是引力波（定量计算）广义相对论计算引力场能量的方程：根据狭义相对论的著名公式：质量和能量是可以相互转换的。一个物体的质量变化（例如减小）时，周围时空的曲率变化，辐射引力波。引力波的能量就对应于物体质量的变化。质量变化越大，引力波越强。关于引力波的探测引力波的直接实验探测从上世纪50年代开始，开拓者是美国物理学家韦伯(Weber)。他设计了一个共振棒探测器（直径0.5米，长2米的铝制圆柱体），当受到引力波作用时，探测器形变，使其上的压电器件产生电信号。韦伯宣布他测到了引力波，但结果未能被重复，理论是也有一些问题，因而未被承认。引力波的间接实验验证1974年，美国物理学家家泰勒（JosephTaylor）和赫尔斯（RussellHulse）利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统（其中一颗是脉冲星）。利用脉冲星精确的周期性射电信号，精准地知道两颗星绕转轨道的半长轴及周期。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。泰勒和他的同行在之后的30年中做了持续观测，观测结果是：周期变化率为每年减少76.5微秒，半长轴每年缩短3.5米。与广义相对论所预测的结果精确符合。广义相对论更进一步预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。LIGO与GW150914在韦伯实验的同时，基于迈克尔孙干涉仪的探测原理也被提出。70年代，MIT的Weiss等人建造了激光引力波干涉仪（最先提出这一思想的是前苏联科学家）。经过多次改进，最终建成了现在的激光干涉引力波天文台LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory（LIGO），并第一次从实验上直接探测到了引力波。（讲一下索恩）LIGO的构成LIGO由两个完全相同的实验分支组成，一个位于美国路易斯安那州利文斯顿，另一个位于美国华盛顿州汉福德。二者相距三千公里。这两个分支负责实验测量。测得的数据由德国马普研究所进行数据处理和分析。同时还有英国、法国、意大利、日本、印度的研究机构参与。这是一次国际大协作。LIGO的工作原理这是一个改进的迈克尔逊干涉仪。分束镜反射镜1反射镜2探测器改进：在每一臂各增加一个反射镜，使每一臂成为一个F-P标准具。系统的初始设置：臂长：4公里精确调制两臂，使无引力波作用时，探测器接收到的信号强度为0。如果接收到信号，两臂长度改变，则干涉强度不为0。LIGO的技术难点足够的长度：保证极小长度改变所导致的光程变化可被反映出来；反射镜的质量：表面平整度，高反射率，无相差每个反射镜造价达100万美元；激光器的稳频：只有一个波长，窄线宽；悬浮防震措施：每个反射镜装在一个四极摆系统上，用极细高强度玻璃纤维悬挂；恒温恒湿：防止温湿变化带来的影响；高真空：防止空气扰动的影响。杂散光的控制：防止各种漫反射光的影响。LIGO-HLIGO-LLIGO精度达到了10的-23次方量级，相当于可以检测出万分之一质子大小的距离变化。LIGO升级改造之前，它一年能够测到0.0002到0.2次双中子星并合信号，或者0.0002到0.5次双黑洞并合信号；而在LIGO升级改造之后，它一年就能测到0.4到400次双中子星并合信号，或者0.4到1000次双黑洞并合信号了。就双黑洞并合信号而言，保守估计是两年半看到一次，乐观估计则是一年能看到3次！GW150914实验数据2015年9月14日，LIGO的两个实验站同时测量到相同的结果。实验数据实验结论实验数据传到了远在德国的马普所。那里有上万个采用不同模型、不同参数的理论计算结果。实验测量结果经过数据处理后与这些理论结果比对，很快，一个振奋人心的消息传出：GW150914的实验测量与一个理论计算结果完全符合。这是一个两个黑洞并合（碰撞）的模型。这两个黑洞的质量分别为36个和29个太阳质量，它们相互绕转，相互之间的距离越来越近，转速越来越快，最终并合为一个黑洞。在这个过程中发出引力波。从探测到的实验数据可以得到如下信息：（整个过程分为三个阶段）第一阶段：两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是，这两个黑洞分别为36和29太阳质量，每个半径大约是一百公里左右，距离是一千公里，每秒钟互相转15圈。第二阶段：到两个黑洞快并合的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，即，每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了，它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。第三阶段：这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞（科尔黑洞）。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要是发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢？前面说过引力波是携带能量的，这些引力波携带的能量正好等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。以上就是这次探测事件GW150914所揭示的物理真实事件。只不过，这个事件发生在14亿年之前。我们再通过视频回顾一下这个事件发生的全过程。狭义相对论的基本假定之一是光速不变原理，这个原理是迈克尔逊用迈克尔逊干涉仪实验证实的。今天，广义相对论所预言的引力波又被迈克尔逊干涉仪验证。这大概正是历史的必然。迈克尔逊本人是反对相对论的。他曾为自己的实验证实了相对论的基本假定而懊悔。引力波探测事件的意义验证了广义相对论中最后一个未被验证的结论；让我们第一次“亲眼看到”了黑洞的存在；由于实验测量到的引力波频率在100Hz左右，也可以说我们亲耳听到了黑洞；间接验证了引力波以光速传播；开辟了引力波天文学的新时代，期待双中子星、黑洞中子星碰撞的发现。探测单个中子星发出的连续引力波辐射，背景引力波辐射，甚至是原始引力波的探测，为了解宇宙起源提供线索。采访霍金视频下一步的工作设想探测到更多的双黑洞，双中子星，中子星－黑洞双星等事件；提供更详细的黑洞形成和演化的数据，帮助我们直接推断中子星状态方程，暗能量状态方程等等物理学、天文学、宇宙学更为有趣的问题；进行太空引力波探测；我国的努力：周培源、华中工，中山大学。天琴计划太极计划对GW150814的评价这次探测结果的公布是在得到测量结果之后，经过反复验证，在5个月后才发布的。科学家们慎之又慎。因此，这次探测得到了大多数物理学家的承认，认为结果是可信的。当然，不能完全排除乌龙的可能。爱因斯坦对理论和实验有一段有趣且富有哲理的论述：理论就是除了你自己相信别人都不相信，实验就是除了你自己不相信别人都相信。这说明理论研究和实验研究是有很大区别的。最典型的例子就是泡利。关于黑洞其实，黑洞是一个比较古老的概念。早在300多年前，拉普拉斯就指出：如果光粒子不能逃出辐射源的约束，人们只能看到一个黑黑的洞。拉普拉斯的看法是建立在牛顿光粒子说的基础上的。在杨氏干涉实验后，波动说占据主导，拉普拉斯的提法逐渐被遗忘。现代意义的黑洞是广义相对论理论预言的结果。拉普拉斯1749—1824第一个根据广义相对论从理论上预言黑洞存在的人这个人大名鼎鼎，誉满世界，他就是著名物理学家—奥本海默。奥本海默是美国曼哈顿计划的总负责人，被称为原子弹之父。奥本海默的故事黑洞是密度巨大的天体，质量巨大，体积却极小。因此，黑洞的引力极大。黑洞存在一个界面，被称为“视界”的界面，任何物质和辐射一旦进入视界内，便再无法逃脱，甚至目前已知的传播速度最快的光（电磁波）也逃逸不出。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒（JohnArchibaldWheeler）命名为“黑洞”。惠勒是美国著名物理学家。他最重要的工作是与玻尔合作，在1942年共同揭示了核裂变机制，并参加了研制原子弹的曼哈顿工程。他还是美国第一个氢弹装置的主要设计者之一。与同时代的物理学家相比，他的名气远远不如他的博士后合作导师玻尔，他的同事爱因斯坦，也远不如他的学生费曼。在霍金享誉全球之后，很多人都知道了“黑洞”这种奇怪的天体，但是很少有人知道，“黑洞”这个名字出自惠勒之口。对黑洞理论及其研究贡献最大的人是霍金。他在黑洞的结构、黑洞的性质、黑洞辐射等方面都做出了卓越的贡献。天文观测中得到过一些间接证明黑洞存在的结果。霍金本人后来曾认为理想黑洞有可能不存在。这次探测到引力波是对黑洞的最直接的实验验证。在网上有大量关于霍金的故事。由于黑洞的奇特性质，黑洞也成为科幻的重要话题。如，进入黑洞后可以追赶已经逝去的时光，时间隧道，等等。其中，有关黑洞最著名的科幻电影就是“星际穿越”，其科学顾问就是前面提到的基普-索恩。尽管科幻对人们的科学意识有启迪作用，是重要的文学形式，但科幻不是真实的现实，不要认为科幻所说的就是真理。广义相对论引力与牛顿万有引力广义相对论引力与牛顿万有引力是有区别的。引力波是时空曲率变化产生的涟漪。当曲率不再变化时，引力波也随之消失。但引力（引力场）依然存在，引力相互作用依然存在。万有引力是始终存在的。牛顿的万有引力是瞬时的，不需要时间。而把广义相对论方程化为牛顿万有引力时，出现了一个推迟势，传播速度与光速相等。与此类似，在由电动力学推导电磁场时，也有以光速传播的推迟势。在广义相对论中，任何有质量的物体，其周围的时空都是弯曲的。广义相对论认为引力等同于时空弯曲。例如，太阳周围的弯曲时空是行星绕日运动的原因。这也会产生引力波，但强度太弱，无法测量到。而万有引力是在平直时空内的，没有引力波产生，没有波的概念。万有引力作用的机制是什么？如何发生作用？至今尚未能给出合理的解释。广义相对论认为引力是场。就像电磁一样。广义相对论引力波有潮汐效应，这次探测到引力波就是利用潮汐效应。而牛顿万有引力没有波的概念，因此，也就没有潮汐效应。关于大统一理论物质有四种相互作用：电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用、引力