綜述:引力波物理

2020-11-23 科學網

 

2015年9月14日位於美國的雷射幹涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）探測到來自雙黑洞併合的引力波，開啟了引力波天文學的新時代。2017年8月17日位於美國的LIGO和位於義大利的Virgo又聯合探測到了雙中子星併合的引力波，開啟了多信使天文學的新時代。引力波的探測為人類探索宇宙的深層次奧秘提供了新的手段。2017年的諾貝爾物理學獎授予了對引力波探測作出傑出貢獻的三位美國物理學家。

無論是輔助引力波實驗數據的處理還是通過引力波研究基礎物理問題，都需要我們對引力波源有系統、深入的理解。可探測引力波的來源一般可以分為兩類：一類來自早期宇宙學，另一類來自天體物理過程。來自早期宇宙的引力波可以產生於暴脹、重加熱和一階相變等時期，而來自天體物理過程的引力波可以產生於雙星系統（包括黑洞、中子星、白矮星以及其他緻密天體）、超新星爆發、星系碰撞和非球對稱中子星的自轉等過程。暴脹時期產生的引力波可以在微波背景輻射上留下被稱為B模式的獨特印記，它對於確定暴脹能標具有重要意義。重加熱時期產生的引力波頻率極高，不易探測，但是對於理解暴脹子是如何衰變為粒子物理標準模型粒子的這段非微擾過程具有重要意義。一階相變時期特別是電弱相變時期產生的引力波有望被空間引力波探測器捕捉，可以為我們提供超出粒子物理標準模型的新物理的線索。

如圖所示，前期繞轉時期的引力波波形可以用後牛頓近似計算，中期併合時期的引力波波形可以用數值廣義相對論模擬計算，後期鈴蕩時期的引力波波形可以用黑洞微擾理論計算，所以雙星系統引力波探測可以幫助我們限制天體物理的一些過程以及超出廣義相對論的引力理論。因此，作為獨一無二的探測手段，未來更多的引力波探測實驗將幫助我們進一步理解包括引力理論、天體物理、宇宙學演化乃至粒子物理模型在內的基礎物理。

《國家科學評論》最近發表了由中國科學院理論物理研究所蔡榮根研究員、中國科學院數學與系統科學研究院應用數學研究所曹周鍵研究員、中國科學院理論物理研究所郭宗寬研究員、中國科學院理論物理研究所博士研究生王少江和楊濤等五位作者共同撰寫的「The Gravitational-Wave Physics」綜述文章（https://doi.org/10.1093/nsr/nwx029）。文章介紹了暴脹時期產生的引力波，重加熱時期產生的引力波，一階相變產生的引力波，雙星系統的引力波，以及引力波作為宇宙學研究的標準汽笛等方面的內容。（來源：科學網）

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    引力波的發現發表在《物理評論快報》上引力波的發現發表在《物理評論快報》上愛因斯坦在1916年的廣義相對論中預言引力波，受到世界的廣泛關注。據說在科學家們投票表決將由哪個期刊來登載發現引力波的文章，五天之後，他們就首次觀測到了引力波。這是人類第一次發現引力波存在的直接證據。這一偉大發現最終以論文的形式發表在《物理評論快報》（PRL）雜誌和《天文期刊》雜誌上。
  • 1916年愛因斯坦在相對論中預言引力波，究竟哪本期刊發表成果
    引力波的發現發表在《物理評論快報》上引力波的發現發表在《物理評論快報》上愛因斯坦在1916年的廣義相對論中預言引力波，受到世界的廣泛關注。據說在科學家們投票表決將由哪個期刊來登載發現引力波的文章，五天之後，他們就首次觀測到了引力波。這是人類第一次發現引力波存在的直接證據。這一偉大發現最終以論文的形式發表在《物理評論快報》（PRL）雜誌和《天文期刊》雜誌上。
  • 引力波跟電磁波的異同、LIGO幹涉儀探測引力波的基本原理
    前文《宇宙的顫抖：引力波》說明了引力波是真實存在的（間接證據），並且科學家們已經開始展開了探測和研究的工作（直接探測）。為了進一步了解引力波，我們來討論一下引力波的一些特性。為了便於理解，我們對照相對熟悉的電磁波來對比一下，以建立引力波的物理圖像。
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    而引力波則不同，它誕生在宇宙大爆炸之初並以光速傳播。從事引力波研究多年的美國亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯認為，引力波被測量到，意味著人們可以通過引力波而一直追溯到大爆炸之後僅僅10的負35方秒的極早時期，同時引力波也可以作為另一種觀測宇宙的手段。引力波天文學這門新學科的大門也由此打開。
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    張冰 美國內華達大學拉斯維加斯分校物理天文系教授 多種天體甚至人體運動都可以產生引力波 引力波是時空的漣漪，自2015年LIGO（雷射幹涉儀引力波天文臺）首次探測到引力波之後，引力波這一概念基本認識已經深入人心。
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    近期，國際公認的物理學界頂尖綜述期刊之一的Physics Reports在線發表了物理學院「超快光物理與介觀光學創新群體」彭良友副教授和龔旗煌院士撰寫的阿秒物理方面的長篇綜述文章【Liang-You Peng*, Wei-Chao Jiang, Ji-Wei Geng, Wei-Hao Xiong, and Qihuang Gong*, 「Tracing and controlling
  • 電磁波和引力波
    並且，儘管愛因斯坦在1916年就預言了引力波，但他對自己的這個預言的態度也是反反覆覆頗為有趣的。愛因斯坦本人直到1936年對此還尚未有一個確定的答案。他曾經在一篇論文中得出「引力波不存在」的結論！但因為該文中他的計算有一個錯誤，被「物理評論」拒絕。當年，憤怒的愛因斯坦轉而將此文投給「富蘭克林學院學報」，文章即將發表時愛因斯坦自己也發現了他的錯誤，於是將文章標題改變了【1】。
  • 引力波是什麼?我們為什麼要探測引力波?
    所有這些都在2015年9月14日發生了變化，當時雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）物理感應到時空的波紋，該波紋由兩個相距13億光年的碰撞黑洞產生的引力波引起。雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）發現引力波成為人類最偉大的科學成就之一，載入史冊。
  • 引力波的傳播速度有多快_引力波傳播是瞬時的嗎_引力波的傳播方向
    在物理學中，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。在1916年，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在於牛頓的經典引力理論當中，因為牛頓的經典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。
  • 「引力波都被證實了,你還不報物理?」物理學最好的84所大學推薦
    最近，引力波再次被證實的消息引起了大家的廣泛關注。引力波的存在意味著什麼？就像水波一樣，空間也是能夠產生波動的，這就意味著空間也是能夠被「打破」的，那麼是不是就能夠穿越呢？言歸正傳，引力波離我們太遙遠，沒事「意淫」一下就算了。
  • 什麼是引力波?
    【張天蓉：終於探測到了引力波】 與電荷運動時會產生電磁波相類比，物質在運動、膨脹、收縮的過程中，也會在空間產生漣漪並沿時空傳播到另一處，這便是引力波。 愛因斯坦在100年之前預言存在引力波，但是，由於引力波攜帶的能量很小，強度很弱，物質對引力波的吸收效率又極低，一般物體產生的引力波，不可能在實驗 室被直接探測到。
  • 美國雷射幹涉引力波天文臺重啟引力波探測
    新華社洛杉磯4月1日電 美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）在完成對雷射、反射鏡及其他部件的一系列升級後，4月1日恢復開機，啟動第三輪引力波探測。LIGO官方網站發布的新聞公告說，升級後的LIGO靈敏度比此前增加了約40%，可以擴大其對引力波的探測範圍，希望能探測到更多包括黑洞碰撞在內的引力波事件。
  • 引力波是什麼:引力波簡單通俗解釋
    引力波是時空結構中的漣漪，就像一艘穿越平靜海面的船在其後留下絲絲尾波一樣，宇宙中移動的「飛船」也會產生引力波。不同的是，引力波情況下的「飛船」卻是極度猛烈的物體，所引發的事件要劇烈得多，如黑洞合併、中子星碰撞、超新星爆炸等。所有這些都會在時空結構中產生波，隨著其漣漪在宇宙中的傳播而進行拉伸和擠壓。如下面動畫所示兩個黑洞碰撞的最後片刻所產生的引力波。
  • 探測到引力波的意義
    【科學家發現引力波 霍金：是科學史上重要一刻】  霍金(Stephen Hawking)在接受英國廣播公司(BBC)專訪時表示：「引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發現它們的能力，有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統，是首度觀察到黑洞融合。」
  • 【科學講座】陸由俊:黑洞與引力波
    本次講座的主題是「黑洞與引力波」。中國科學院國家天文臺「引力波天體物理」研究團組首席研究員，中國科學院大學崗位教授陸由俊老師生動地向同學們介紹起黑洞與引力波。　　講座伊始，陸老師從時空開始講起。牛頓堅持絕對時空觀，三維空間就像是重複的方格，而格點上都有著時鐘。但在幾百年後，愛因斯坦提出了等效原理，進而得到了廣義協變原理和場方程，發現了彎曲的時空。
  • 人類發現引力波,時空旅行成現實!7分鐘視頻讓你明白什麼是引力波
    首次觀測到了一次置信度高達5.1倍標準差的引力波事件：GW150914，人類首次發現了引力波，該引力波產生於兩個恆星量級黑洞的合併(merger)。而引力波的方法可以快速給出黑洞的完整信息，這相比較傳統的觀測方式，更為有效，儘管在觀測方面有些困難。什麼是引力波？廣義相對論告訴我們：在非球對稱的物質分布情況下，物質運動，或物質體系的質量分布發生變化時，會產生引力波。在宇宙中，有時就會出現如緻密星體碰撞併合這樣極其劇烈的天體物理過程。
  • 為什麼引力波也可以是光速傳播?
    雙中子星的引力波的振幅是變化的，當兩個中子星的距離較遠的時候，也是有引力波在輻射的，只不過這個時候引力波的振幅很小，我們地球上探測不到。粗略地說，引力波的振幅與兩個中子星的距離成反比。距離越小，則引力波的振幅越大。
  • 來自中子星併合的引力波
    引力波是一種不同尋常的波動。簡單來說，引力波是當物質的分布隨時間發生變化時產生的「時空漣漪」。波一般人都很熟悉，一塊石頭被丟進水裡在湖面上會產生的波紋。但時空的波動和物質的波動確有根本區別。當引力波從宇宙深處傳到地球表面的時候，地球上所有的物質都會隨之波動，不管重如泰山或輕如鴻毛都會一起隨引力波波動。不僅如此，所有的時鐘無論多麼精確都會相應的時快時慢。
  • 人類檢測到引力波究竟有多難|引力波|探測|淚流滿面_網易科技
    看到知乎後除了吃驚之外有點開心，想不到國內公眾對「引力波」這個很小眾的方向也有關注，作為少數幾個引力波研究「圈子」裡的華人之一，我很想來談一下這個問題，希望藉此可以讓更多的人了解這個方向。之前我很多次給身邊對這個問題感興趣的親友解釋過「我們做的是什麼」，所以我能夠用通俗、非專業的詞彙描述，結合自己的體會給大家講下，引力波這個學科的發展歷史、物理意義、研究現狀等等方面。
  • 引力波研究科學家:引力波究竟是如何被探測到的,為什麼值得我們淚...
    善良的科學家們，花著大把納稅人的錢去找引力波，半個世紀過去了，我們依然「一無所獲」，有點愧疚也是情有可原。引力波探測對於物理、對於我們加深對這個宇宙起源、這個時空本質的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是驗證、或者否定相對論的正確性，但是他的物理意義是遠遠超過這個。