论文部分内容阅读
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合并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，也可以唯美地称之为时空的“涟漪”。
根据爱因斯坦的广义相对论，引力起源自质量对空间的扭曲：在任何有质量的物体附近，空间的织构都会受到扭曲。但这个扭曲并不总是呆在那物体附近。爱因斯坦意识到这种空间的弯曲形变可以在宇宙中传播，就像地震波在地壳里传播那样。然而它与地震波不同的地方在于，它可以在空无一物的太虚中传播——并且还是以光的速度。假如有引力波在你眼前向你扑面而来，你会看到你前方的空间在上下或左右方向上，出现时而被拉伸时而被压缩的效果。
引力波无处不在。除了黑洞碰撞会产生引力波外，地球、太阳的空间运行也会产生引力波，只不过地球和太阳产生的引力波非常非常微弱，智能达到黑洞碰撞的千亿分之一，以我们现有的技术还无法探测到这样级别的引力波。黑洞合并很常见，科学家估计，在宇宙中每15分钟就有一次黑洞合并事件发生。黑洞合并会创造强大的引力波，这也是我们现在可以探测到引力波的存在。引力波在被探测到之前我们无法知道黑洞碰撞是否会产生引力波，但现在我们探测到了引力波，引力波天文学的序幕由此拉开。这一发现不仅仅验证了爱因斯坦的预言，也揭示了我们从来不知道的宇宙新行为。
中北大学物理学教授温廷敦：
引力波是一种声音吗？
引力波和我们熟知的声波、电磁波存在相同之处，它们的波源都是某个物理量的扰动，并带动周边相关物理环境的变化得以传播，不同之处在于被扰动的物理量不同。
先普及一个常识，我们看见的太阳散发出来的刺眼的光，与我们看不见的收音机、手机、卫星发射和接受的电磁波，其实是同一个东西。“可见的光”是频率在某个范围的电磁波。近代研究电磁现象有一个重大发现，电磁波的传播速度是恒定的，也就是光速是一个固定的数值。无论是在火箭尾焰上出现的光，还是在一架列车上向外打手电筒发出的光，“光”这种东西是不会因为处在运动状态下而提高速度的。
就是这么一个别人都“习以为常”的问题，却在爱因斯坦头脑中萦绕了多年。最后，他提出了一个大胆的假设——光速不变，这是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。
这是什么意思？当某个人要加速的时候，道路突然变长了，然后它到达某个地点的时间还是固定的。我愿意把它称为一种声音，但引力波并不是声音，声音以音速在空气中传播，而引力波则是以光速传播，而且可以在真空中传播。两者都是一种震动，但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器，从而“听到”引力波的声音。
引力波不仅能让我们看到肉眼无法看到的宇宙空间在发生什么，还能让人类了解宇宙的过去，合理推断出将来会发生什么。这看似很神奇，但想想《西游记》中如千里眼、顺风耳、嫦娥登月等神奇的东西，现在不都实现了么。
太原理工大学物理与光电工程学院副教授薛海斌：
引力波探测影响深远
引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。英国天文物理学大师霍金表示，他相信这是科学史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的崭新方式，发现它们的能力，有可能使天文学发生革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统，也是首度观察到黑洞融合。”
传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。因为引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此，引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振，揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。
如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成像，而是需要像声波那样，直接从波形分析波源的性质。大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立。考虑到一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息。例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。
物理学科资深培训师冯国龙：
从电影《星际穿越》谈引力波
基普·索恩是美国物理学家，他曾是科幻电影《星际穿越》的编剧。索恩的头衔很多：美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）联合创始人、加州理工学院物理学教授、几代前沿理论物理学家的导师、开创多个物理学分支领域的先驱、科幻电影编剧、科幻作家……
最重要的是，索恩在长达半个世纪的引力波探测项目中，推动构建了一个全方位的研究“大生态”。除了推动研究、试验，促进合作之外，索恩认为教育和科普尤为重要。他很早就曾对学生说，希望能参与制作一部关于引力波和黑洞的电影，以激发更多年轻人投身自然科学探索。2009年，从加州理工学院退休的索恩，果真参与了科幻电影《星际穿越》的编剧和拍摄工作，成为好莱坞的“非著名演员”。
电影《星际穿越》中，主人公Cooper甚至通过引力波穿越时间和空间给女儿Murph传递信息。正如有篇著名的影评所说：“能够穿越星际的，不止引力波，还有爱。”在现实中引力波真实存在吗？科学家们从来就没有放弃过寻找引力波的踪迹。
引力波是爱因斯坦广义相对论中唯一还没有被直接证实的预言（存在间接证据）。通俗地讲，引力波是宇宙中一种特殊的“时空涟漪”，因此也可以将其想象成在时空中的微小起伏。具备物理学常识的人们都知道万有引力无处不在，但是为何引力波却难以探测呢？实在是因为万有引力太微弱了，只有当质量达到如太阳、地球、月亮这样的数量级，人们才能感觉到其存在，而引力波相比之下则更加微弱。
根据爱因斯坦的广义相对论，引力起源自质量对空间的扭曲：在任何有质量的物体附近，空间的织构都会受到扭曲。但这个扭曲并不总是呆在那物体附近。爱因斯坦意识到这种空间的弯曲形变可以在宇宙中传播，就像地震波在地壳里传播那样。然而它与地震波不同的地方在于，它可以在空无一物的太虚中传播——并且还是以光的速度。假如有引力波在你眼前向你扑面而来，你会看到你前方的空间在上下或左右方向上，出现时而被拉伸时而被压缩的效果。
引力波无处不在。除了黑洞碰撞会产生引力波外，地球、太阳的空间运行也会产生引力波，只不过地球和太阳产生的引力波非常非常微弱，智能达到黑洞碰撞的千亿分之一，以我们现有的技术还无法探测到这样级别的引力波。黑洞合并很常见，科学家估计，在宇宙中每15分钟就有一次黑洞合并事件发生。黑洞合并会创造强大的引力波，这也是我们现在可以探测到引力波的存在。引力波在被探测到之前我们无法知道黑洞碰撞是否会产生引力波，但现在我们探测到了引力波，引力波天文学的序幕由此拉开。这一发现不仅仅验证了爱因斯坦的预言，也揭示了我们从来不知道的宇宙新行为。
中北大学物理学教授温廷敦：
引力波是一种声音吗？
引力波和我们熟知的声波、电磁波存在相同之处，它们的波源都是某个物理量的扰动，并带动周边相关物理环境的变化得以传播，不同之处在于被扰动的物理量不同。
先普及一个常识，我们看见的太阳散发出来的刺眼的光，与我们看不见的收音机、手机、卫星发射和接受的电磁波，其实是同一个东西。“可见的光”是频率在某个范围的电磁波。近代研究电磁现象有一个重大发现，电磁波的传播速度是恒定的，也就是光速是一个固定的数值。无论是在火箭尾焰上出现的光，还是在一架列车上向外打手电筒发出的光，“光”这种东西是不会因为处在运动状态下而提高速度的。
就是这么一个别人都“习以为常”的问题，却在爱因斯坦头脑中萦绕了多年。最后，他提出了一个大胆的假设——光速不变，这是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。
这是什么意思？当某个人要加速的时候，道路突然变长了，然后它到达某个地点的时间还是固定的。我愿意把它称为一种声音，但引力波并不是声音，声音以音速在空气中传播，而引力波则是以光速传播，而且可以在真空中传播。两者都是一种震动，但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器，从而“听到”引力波的声音。
引力波不仅能让我们看到肉眼无法看到的宇宙空间在发生什么，还能让人类了解宇宙的过去，合理推断出将来会发生什么。这看似很神奇，但想想《西游记》中如千里眼、顺风耳、嫦娥登月等神奇的东西，现在不都实现了么。
太原理工大学物理与光电工程学院副教授薛海斌：
引力波探测影响深远
引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。英国天文物理学大师霍金表示，他相信这是科学史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的崭新方式，发现它们的能力，有可能使天文学发生革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统，也是首度观察到黑洞融合。”
传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。因为引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此，引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振，揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。
如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成像，而是需要像声波那样，直接从波形分析波源的性质。大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立。考虑到一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息。例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。
物理学科资深培训师冯国龙：
从电影《星际穿越》谈引力波
基普·索恩是美国物理学家，他曾是科幻电影《星际穿越》的编剧。索恩的头衔很多：美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）联合创始人、加州理工学院物理学教授、几代前沿理论物理学家的导师、开创多个物理学分支领域的先驱、科幻电影编剧、科幻作家……
最重要的是，索恩在长达半个世纪的引力波探测项目中，推动构建了一个全方位的研究“大生态”。除了推动研究、试验，促进合作之外，索恩认为教育和科普尤为重要。他很早就曾对学生说，希望能参与制作一部关于引力波和黑洞的电影，以激发更多年轻人投身自然科学探索。2009年，从加州理工学院退休的索恩，果真参与了科幻电影《星际穿越》的编剧和拍摄工作，成为好莱坞的“非著名演员”。
电影《星际穿越》中，主人公Cooper甚至通过引力波穿越时间和空间给女儿Murph传递信息。正如有篇著名的影评所说：“能够穿越星际的，不止引力波，还有爱。”在现实中引力波真实存在吗？科学家们从来就没有放弃过寻找引力波的踪迹。
引力波是爱因斯坦广义相对论中唯一还没有被直接证实的预言（存在间接证据）。通俗地讲，引力波是宇宙中一种特殊的“时空涟漪”，因此也可以将其想象成在时空中的微小起伏。具备物理学常识的人们都知道万有引力无处不在，但是为何引力波却难以探测呢？实在是因为万有引力太微弱了，只有当质量达到如太阳、地球、月亮这样的数量级，人们才能感觉到其存在，而引力波相比之下则更加微弱。