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引力波的本质、aLIGO激光干涉法探测引力波原理

2019-12-02来源:一个小仙女樊小胖

前文《宇宙的颤抖:引力波》说明了引力波是真实存在的(间接证据),并且科学家们已经开始展开了探测和研究的工作(直接探测)。为了进一步了解引力波,我们来讨论一下引力波的一些特性。为了便于理解,我们对照相对熟悉的电磁波来对比一下,以建立引力波的物理图像。

借这篇文章多说一句,其实学物理跟学数学最大的区别就在于建立物理图像。学物理的人更需要抽象思维,能在脑海里建立物理过程,这是一个物理学生和大师的根本性区别。脑袋里有了物理图像,就好像能看见整个的物理过程,再利用理论公式去解决问题,那就是信手拈来的事。

引力波的本质、aLIGO激光干涉法探测引力波原理

LIGO测试仪

1、电磁波是电磁振荡,以光速c传播。引力波是时空的振荡,其传播速度也是光速c。

2、天体中的电磁波通常是单个电子、原子、分子发射后叠加形成,一般来说是不相干的波。电磁波的频率比较高(10的7次方~10的24次方),其波长小于源的尺寸,所以电磁波可以给出源的图像。引力波是由大质量天体的整体运动产生的,是一个相干波。

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激光干涉引力波测试仪原理图

引力波有两个独立的互相垂直并垂直于传播方向的线性极化波,引力波振子在探测引力波存在的时候正是利用引力波存在极化现象这个特点。当引力波投射到引力波探测振子上的时候,极化波产生的引力潮汐会改变激光干涉仪的臂长,我们在望远镜里能看到激光干涉条纹的移动,计算移动条纹的数量我们就能测定引力极化波产生的振子振幅。

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3、电磁波与物质的相互作用很强,所以电磁波穿过物质的时候容易被物质吸收和散射。如果物质有比较厚的外壳,电磁波就无法穿透。这就像一张很薄的纸张可以是半透明的,我们透过纸张能模糊的看到对面的东西,但如果把很多这样的薄纸重叠在一起就不透明了,甚至完全阻挡住光线。正因为如此,我们没办法通过电磁波了解超新星爆炸过程中内核的情况。另外由于汤姆逊散射效应,电磁波对于等离子体的穿透能力也很有限。(等离子隐身战机技术就是基于这个道理。)所以我们现在也是不能直接通过宇宙微波辐射得到复合期以前的宇宙信息,因为此前的宇宙就是一大团的等离子体。

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引力波则不同,它有极强的穿透力,并且穿过物质几乎是无损耗的。有科学家计算过,引力波即使是穿过60亿个地球直径那么厚的物质,其信号也只衰减一半。因此,通过分析来自超新星爆炸的引力波信号我们就能了解到超新星爆炸时其内部的情况。

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由致密双星系统互绕、旋转直至结合过程中产生的引力波的波形分析可以得到黑洞、中子星的信息。复合期以前的早期宇宙状态也可以通过对引力波的研究获得。

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射电望远镜地面站

射电天文学通过对宇宙微波辐射背景的研究已经揭示了我们所处的宇宙并不平静,某些天体在剧烈变化着,人们发现了脉冲星、类星体和活动星系核等。引力波作为不同于电磁波的一个全新的窗口,对我们人类了解和认识自然界必将有更加不可估量的影响。

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其实关于aLIGO很多人都还是有疑问的,尤其是在物理学界,依然有很多科学家认为这个项目是一个骗局,老郭将在下一篇文章里针对这个疑问跟大家认真的探讨。我的能力可能很有限,但一定全力以赴,把科学界的各种声音,尽量用浅显的语言表述出来,尽量全力以赴还原真相。

我是郭哥论道,一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学,让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣的科普搬运工。耐心看完的小伙伴,留个言、点个赞加个关注再走呗。

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