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。
兩個合併黑洞產生引力波的計算機模擬
在美國進行LIGO實驗的科學家首次探測到時空結構中難以捉摸的漣漪,即引力波。毫無疑問,這一發現是過去100年來最具突破性的物理學發現之一。但它們是什麼呢?
為了更好地理解這種現象,讓我們回到幾百年前。牛頓在1687年發表了他的《Philosophiæ哲學的數學原理》,他認為重力的兩個物體之間的引力,地球和月球或兩個豌豆放在桌子上面。然而,當時對這種力量如何傳播的性質還不太了解。事實上,引力定律本身直到1798年英國科學家亨利·卡文迪許在測量地球密度時才得到驗證。
快進到1916年,愛因斯坦向物理學家提出了一種新的思考空間、時間和引力的方法。以1905年發表的著作為基礎,廣義相對論把我們通常認為是獨立的實體——空間和時間——聯繫在一起,形成了現在所謂的「時空」。
時空可以被認為是宇宙的結構。這意味著所有的運動,通過它。在這個模型中,任何有質量的物體都會扭曲時空結構。質量越大,失真越大。而且由於每一個運動的物體都是在時空中運動的,它也會跟隨大質量物體造成的變形。
考慮這個問題的一種方法是考慮兩個孩子,一個比另一個重,在蹦床上玩。如果我們把蹦床的表面當做布料,那麼更大的孩子對布料的扭曲程度就會更大。如果一個孩子把球放在另一個孩子的腳附近,那麼球就會滾向他們的腳,或者沿著扭曲的方向滾向他們的腳。同樣地,當地球繞著太陽轉的時候,太陽的巨大質量扭曲了它周圍的空間,使得我們這個相對較小的行星儘可能地沿著一條「直線」軌道運行,但卻是在一個彎曲的空間裡。這就是為什麼它最終繞著太陽轉。
蹦床解釋引力
如果我們能理解蹦床這個例子,那麼我們就有了重力的基礎。轉向引力波是一個很小但非常重要的步驟。讓蹦床上的一個孩子把一個重物拉過蹦床表面。這在表面產生了可以觀察到的波紋。另一種形象化的方法是考慮讓你的手在水中移動。波紋或波從它們的起源擴散開來,但很快就衰減了。
任何在時空結構中運動的物體都會在該結構中產生波動。不幸的是,這些漣漪也會很快消失,只有最劇烈的事件才會產生足以在地球上被探測到的扭曲。從這個角度來看,兩個質量都是太陽質量十倍的黑洞相互碰撞會產生一種波,當它到達地球時,會造成原子直徑1%的扭曲。在這個尺度上,地球直徑的變化幅度為0.0000000000001m,而潮汐隆起造成的變化幅度為1m。
這幅圖可以解釋引力波
鑒於這些漣漪如此之小,又如此難以探測,我們為何要如此努力地去尋找它們呢?我們又為何要關注於發現它們呢?兩個直接的原因浮現在我的腦海中(我將把我自己僅僅想知道的興趣放在一邊)。其一是100年前愛因斯坦就預測到了。因此,證實引力波的存在為他的廣義相對論提供了進一步的強有力的觀測支持。
此外,這一發現的證實還可能開闢引力波天文學等物理學的新領域。通過研究引力波的發射過程——在這個例子中是兩個正在合併的黑洞——我們可以看到宇宙中暴力事件的細節。
計劃中的天基雷射干涉儀LISA可以詳細研究引力波的天體物理源
然而,要充分利用這種天文學,最好是把探測器放在太空中。基於地球的LIGO利用雷射干涉技術成功地捕捉到了引力波。這項技術的工作原理是將雷射束分成兩個垂直的方向,並將每個方向的雷射束送入一個長長的真空隧道。然後這兩條路徑被鏡子反射回它們開始的地方,也就是放置探測器的地方。如果波在傳播過程中受到引力波的干擾,重新組合的光束將與原來的光束不同。然而,計劃在未來10年使用的天基幹涉儀將使用跨越100萬公里的雷射武器。
既然我們知道引力波的存在,我們希望引力波能夠打開一扇門,解答一些科學界最大的謎團,比如宇宙的大部分是由什麼構成的。宇宙中只有5%是普通物質,27%是暗物質,其餘68%是暗能量,後兩者被稱為「暗」,因為我們不知道它們是什麼。引力波現在可能提供了一種工具,可以用類似於x射線和核磁共振成像(MRI)的方法來探測這些神秘現象。
總結:我們上面文章解釋了什麼是引力,因為必須有引力才有波,時空彎曲中的漣漪,就稱為引力波!