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。
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