引力波跟電磁波的異同、LIGO幹涉儀探測引力波的基本原理

2020-11-23 科學塢

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。

借這篇文章多說一句,其實學物理跟學數學最大的區別就在於建立物理圖像。學物理的人更需要抽象思維,能在腦海裡建立物理過程,這是一個物理學生和大師的根本性區別。腦袋裡有了物理圖像,就好像能看見整個的物理過程,再利用理論公式去解決問題,那就是信手拈來的事。

1、電磁波是電磁振蕩,以光速c傳播。引力波是時空的振蕩,其傳播速度也是光速c。

2、天體中的電磁波通常是單個電子、原子、分子發射後疊加形成,一般來說是不相干的波。電磁波的頻率比較高(10的7次方~10的24次方),其波長小於源的尺寸,所以電磁波可以給出源的圖像。引力波是由大質量天體的整體運動產生的,是一個相干波。

引力波有兩個獨立的互相垂直並垂直於傳播方向的線性極化波,引力波振子在探測引力波存在的時候正是利用引力波存在極化現象這個特點。當引力波投射到引力波探測振子上的時候,極化波產生的引力潮汐會改變雷射幹涉儀的臂長,我們在望遠鏡裡能看到雷射幹涉條紋的移動,計算移動條紋的數量我們就能測定引力極化波產生的振子振幅。

3、電磁波與物質的相互作用很強,所以電磁波穿過物質的時候容易被物質吸收和散射。如果物質有比較厚的外殼,電磁波就無法穿透。這就像一張很薄的紙張可以是半透明的,我們透過紙張能模糊的看到對面的東西,但如果把很多這樣的薄紙重疊在一起就不透明了,甚至完全阻擋住光線。正因為如此,我們沒辦法通過電磁波了解超新星爆炸過程中內核的情況。另外由於湯姆遜散射效應,電磁波對於等離子體的穿透能力也很有限。(等離子隱身戰機技術就是基於這個道理。)所以我們現在也是不能直接通過宇宙微波輻射得到複合期以前的宇宙信息,因為此前的宇宙就是一大團的等離子體。

引力波則不同,它有極強的穿透力,並且穿過物質幾乎是無損耗的。有科學家計算過,引力波即使是穿過60億個地球直徑那麼厚的物質,其信號也只衰減一半。因此,通過分析來自超新星爆炸的引力波信號我們就能了解到超新星爆炸時其內部的情況。

由緻密雙星系統互繞、旋轉直至結合過程中產生的引力波的波形分析可以得到黑洞、中子星的信息。複合期以前的早期宇宙狀態也可以通過對引力波的研究獲得。

射電天文學通過對宇宙微波輻射背景的研究已經揭示了我們所處的宇宙並不平靜,某些天體在劇烈變化著,人們發現了脈衝星、類星體和活動星系核等。引力波作為不同於電磁波的一個全新的窗口,對我們人類了解和認識自然界必將有更加不可估量的影響。

我是郭哥論道,一個致力於科普相對論、量子力學、計算機、數學,讓深奧的科學理論通俗易懂起來、讓科學更有趣的科普搬運工。耐心看完的小夥伴,留個言、點個讚加個關注再走唄。

相關焦點

  • LIGO真的探測到引力波了嗎?
    一個基本的問題是,引力波以什麼方式使長度發生變化?按照廣義相對論的嚴格說法,粒子在真空中沿測地線運動時,引力波會使粒子間的距離產生振蕩。要使系統產生振動,施加的外力至少要與電磁相互作用在同一個數量級。然而電磁力比引力大倍,因此傳到地球表面的弱引力波是不可能破壞電磁力的平衡,使幹涉儀系統產生振動的。除非系統離引力爆發源足夠近,爆發產生的引力波能量足夠大,足以抵消電磁力的作用。
  • 諾獎解讀|引力波探測史:從愛因斯坦到LIGO
    只不過,在宇宙中傳導波的介質並不是空氣,而是時空;而這種波不再是聲波,而是引力波。實際上,廣義相對論提出的一個基本假設是,把空間的三個維度和時間維度統一在一起的時空(spacetime)是具有彈性的。就算其中空無一物,時空也可發生振動,而這種振動就是引力波。這種波與樂器發出的聲波一樣,也滿載著信息。
  • 電磁波和引力波
    那麼,既然引力波和電磁波都是「波」,我們就來比較一下這兩個「兄弟」,以此加深大家對這次引力波探測事件的理解。從赫茲實驗到LIGO英國物理學家麥克斯韋於1865年預言電磁波;愛因斯坦於1916年預言引力波。
  • LIGO如何探測到引力波?
    最近,美國科學家宣稱,位於華盛頓州和路易斯安那州的雷射幹涉引力波天文臺(簡稱LIGO)已成功探測到引力波。消息一經傳出,全球科學界立即引起了轟動,這是世紀性的、革命性的、振奮人心的重大發現,可以類比百年前的人類發現電磁波。
  • 電磁波和引力波及其未來
    那麼,既然引力波和電磁波都是「波」,我們就來比較一下這兩個「兄弟」,以此加深大家對引力波探測的理解。從赫茲實驗到LIGO英國物理學家麥克斯韋於1865年預言電磁波;愛因斯坦於1916年預言引力波。1887年,赫茲在實驗室裡用一個簡單的高壓諧振電路第一次產生出電磁波[3],用一個簡單的線圈便能接受到電磁波;2016年,美國的LIGO第一次探測到引力波[4],團隊的主要研究人員就有上千,大型設備雙臂長度4公裡,造價高達11億美元,見圖1。電磁波從預言到探測,歷時23年;引力波從預言到探測,歷時100年。
  • LIGO探測到引力波比電磁波早1.7S到達,引力波是超光速傳播嗎?
    引力波的本質是什麼?質量波動對於時空的漣漪,它的本質還是引力,因此引力波的傳播速度也是也就是引力傳播的速度,它的速度是光速!二、引力波既然引力確實能夠彎曲光線,那麼質量的改變則會導致波動的引力像波浪一樣向四周擴散,這就是引力波的來源理論基礎,但如何觀測呢?畢竟引力波到達地球後改變的也許就是一個質子的直徑,我們地球上再精確的設備也無法測量?
  • 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
    那~那~你們怎麼還沒有探測到引力波?同學你問得好,問的我們無地自容,但又有點小委屈,真想嗷一句:皇上,臣妾做不到啊!說2019年可以探測到是因為引力波的主要探測器ligo在近幾年可以完成升級,完成升級之後的ligo具有更高的靈敏度,結合天體物理的各種模型和數據,我們探測到引力波事件可以增加到幾十次每年。如果那時還沒有探測到引力波,那不是廣義相對論出問題了就是天體物理的很多理論出問題 當然也有可能是我們工作沒做好;) 另外我想提一下bicep2,其實bicep2的結果被普朗克數據否定也在預料之中。
  • 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...
    說2019年可以探測到是因為引力波的主要探測器ligo在近幾年可以完成升級,完成升級之後的ligo具有更高的靈敏度,結合天體物理的各種模型和數據,我們探測到引力波事件可以增加到幾十次每年。如果那時還沒有探測到引力波,那不是廣義相對論出問題了就是天體物理的很多理論出問題 當然也有可能是我們工作沒做好;) 另外我想提一下bicep2,其實bicep2的結果被普朗克數據否定也在預料之中。不過就算bicep結果被後來的普朗克數據證實,也稱不上是探測到了引力波,只能算引力波存在的一個間接證據。直接探測引力波 主要是靠以ligo為首的幾個大型引力波探測雷射幹涉儀。
  • 引力波天文臺LIGO升級:未來每小時可探測黑洞合併
    未來十年,引力波的觀測頻率將接近每小時一次。LIGO位於華盛頓州和路易斯安那州的兩個站點的升級將包括增加一個300米長的高真空光學共振腔(optical cavity),用以產生理想的雷射束——LIGO探測系統的核心。這將有助於科學家們調控雷射的量子特性並減少噪聲。LIGO包括位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的兩臺L形幹涉儀,每臺幹涉儀有兩個長達4公裡的臂。
  • 史上精度最高:引力波是如何探測的?
    關於引力波的科普這些天已經足夠多,就不再贅述,這裡就來說說這個天文臺那部分:什麼是雷射幹涉?這種技術怎麼測量引力波?價值6.2億美元的人類有史以來最精密的設備到底什麼樣?LIGO的原理    因此,要探測到引力波,就有兩個條件:1,輻射出來的引力波到達地球的時候信號依舊足夠強;2,探測引力波的設備要足夠精密。
  • 引力波探測在宇宙的「質量鴻溝」中發現神秘天體
    Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration近日《天體物理學期刊通訊》上刊登了一篇基於LIGO和Virgo引力波天文臺探測結果的研究報告,稱在宇宙中發現了一個質量為太陽2.6倍的「緻密」天體。
  • 引力波探測器,為什麼LIGO笑到了最後?
    最早的引力波探測器長這樣:  一個大鋁筒。基本原理是,如果引力波的頻率跟鋁筒的共振頻率一致,會引起它的收縮—拉伸。旁邊的人叫喬·韋伯(Joe Weber),公認的引力波探索先驅。他曾在1969年宣布,用這臺機器測到了引力波。  但是同行重複他的實驗,沒有一個能重現這一結果的。所以大家認為他搞錯了。  這次測到的引力波的振幅是10-21。
  • LIGO負責人解釋發現引力波的感覺
    這種直接探測——任何類型引力波的首次探測——帶來了一種新型天文學的黎明。兩個質量分別為29倍和36倍太陽質量的黑洞合併成為62被太陽質量的黑洞,這是第一次人類觀測到如此質量的黑洞。並且這次觀測是令人信服的,每個檢測器中,大於5西格瑪的重要匹配的魯棒檢測是獨立進行的。事實上,這兩個探測器探測到的是完全相同的東西,毫無疑問,這實際上是一個引力波信號。
  • 官方:LIGO直接探測到雙黑洞合併產生的引力波
    這項重大發現標誌著天文學領域一個令人興奮的嶄新時代的開端,就在今夜,我們開啟了一扇通往引力波宇宙學觀測的大門。基本背景信息引力波是時空的漣漪,它是由宇宙中的一些最為劇烈的事件產生的,如大質量緻密天體的碰撞或合併事件。
  • 揭秘引力波背後:如何理解它 怎樣具體探測?
    那~那~你們怎麼還沒有探測到引力波?呵呵呵,同學你問得好,問的我們無地自容,但又有點小委屈,真想嗷一句:皇上,臣妾做不到啊!開個玩笑,先去吃午飯,下章介紹為什麼「做不到」。大家周末愉快~2 探測引力波的意義本節可能會涉及一些別的學科的知識,如果表述不正確,請大家指出,謝謝啦。
  • 探測空間引力波,「太極一號」來了
    時空漣漪如果盤點近年來科學研究的熱點,引力波是其中一個。2012年,科學家在大型強子對撞機實驗中發現神秘的上帝粒子,這表明人類對基本粒子的認識邁出了新的一步。至此,粒子標準物理模型所預言的61種基本粒子幾乎都已找到,除了目前唯一的例外——引力子。科學家們認為,引力波是由引力子組成的,引力子則是證明宇宙大爆炸起源的關鍵。
  • 雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)首次探測到引力波:我們的徵途,在星辰...
    ,以至於用雷射幹涉探測引力波這樣的想法顯得如同史前時代一般。然而,他們一定會仔細玩味,人類首次直接探測引力波信號的那一年,恰恰是愛因斯坦發表廣義相對論的一百周年整;而宣布這一探測的年份,又恰恰是愛因斯坦根據廣義相對論推導得出引力波的一百周年。
  • 雷射幹涉引力波探測器能看到引力波,其工作原理是什麼?
    上圖顯示了麥可遜幹涉儀的原理。1881年,阿爾伯特·麥可遜(Albert Michelson)試圖探測以太,以太被認為是光波傳播的媒介。在狹義相對論發現之前,假定所有波都需要一種介質來傳播,例如水波或聲波。
  • 物理學家張冰:引力波探測意義非凡,但引力波通訊仍遙不可及
    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。但是神奇的引力波究竟是如何產生的呢?張冰教授表示:「不同於偶極輻射的電磁波,引力波是所謂的四極輻射。形象地理解,帶電粒子加速即可產生電磁波,但引力波產生不僅需要加速質量,而且加速度本身也要隨時間變化。天體中所有兩個質量互相環繞的過程(例如雙黑洞、雙中子星、甚至普通雙星)因為加速度方向不斷變化,所以自然滿足這個條件。
  • LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)可以觀測量子引力嗎?
    愛因斯坦的廣義相對論(general relativity)預測說:加速中的大質量物體會發射引力波。直至上周,在這個預言後的一個世紀,LIGO(雷射幹涉引力波觀測站)聯合實驗室宣布他們首次探測到了引力波。不過這僅僅是開始——我們可以期待更多的成果,把愛因斯坦理論的實證研究準確性提升至前所未有的水平。