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引力波是爱因斯坦广义相对论的最终一个预言,看起来简直不或许被发现。为什么他是有史以来最著名、最受喜欢的聪明人?

这与他革命性的广义相对论有很大的联系,在广义相对论中,他向咱们展现了引力是一种错觉。质量歪曲了四维时空的结构,导致了咱们所看到的引力运动。现在证明广义相对论的猜测远远超出了咱们了解的引力。咱们把光的偏转看作是引力透镜,在引力场中时刻在变慢,有旋转的质量拖拽时空。

他美丽的著作中的每一个预言都通过了物理测验和验证。可是最终一个是从未被直接观测到的令人难以置信的猜测——引力波。

重力的概念不是作为一种力,而是作为歪曲的时空,经常被比方为被一个沉重的球压下的柔性橡胶板。这个比方可以让咱们了解重力波究竟是什么?

将一个球落在一块橡胶板上,构成一个歪斜形状,然后使其他物体沿橡胶板移动,移动球发作一系列向外活动的涟漪,类似于池塘上的涟漪,引力波也是如此。以正确的方法在空间中加快一个质量,就会发作引力波纹,一个胀大和缩短时空的向外动摇。

那么什么样的运动发作G波呢?

你需求改动质量散布的四极矩,这意味着任何改动,不是球形或圆柱形对称。所以旋转的球体或圆柱体不会发作波。可是两个物体,或许一个非对称旋转或爆破的物体是这样的。正如橡胶板上的波纹以由橡胶刚度决议的特定速度传达相同,重力波。实际上重力自身是依据时空刚度传达的,换句话说便是以光速传达。这个速度限制是由于光的速度是建立在爱因斯坦的场方程中的,这关于洛伦兹变换是不变的。值得指出的是,这个速度限制实际上是因果联系的速度。一切无质量的物体,包含G波和光,都必须以那个速度运动。

那么G波究竟是什么姿态的呢?

不像池塘上的波纹,乃至是电磁波——都是简略的、上下的、纵向的波——引力波便是咱们所说的四极波。它们以一种十字型的方法以紧缩和拉伸空间的崎岖传达。一切或许发作可检测引力波的东西都有什么?世界中最张狂的引力现象——中子星或兼并前螺旋形的黑洞,或超新星爆破或巨大黑洞之间的磕碰等引力大灾难。这些形成的G波将地球上的空间拉长或缩短了10倍,乃至小于-21倍。这会使你的身高改动不到质子宽度的百万分之一。而这一改动是为最强壮的波,或许现已穿透你的身体,这个能量取决于咱们和灾难性引力工作的间隔。但这些工作会很悠远,由于它们十分稀有。它们每几千年发作一次。

任何咱们或许观测到的G波都将来自悠远的星系,几亿光年远。发现这些是一个十分困难的试验。1993年现已有一个诺贝尔奖以直接检测的方法颁发了。引力波带着能量,当两个巨大的物体互相围绕着足够近的轨迹运转,发作很多的引力辐射时,会失掉能量并衰变,导致它们向互相螺旋运动。这在二元中子星中现已被发现。结果与广义相对论猜测的引力辐射率彻底一致。但假如咱们真的能看到G波,咱们就可以以史无前例的方法研讨黑洞、中子星,乃至极前期的世界,这将是一项严重的科学发现。

可是你怎么检测到1000亿分之一的长度差异呢?

当然,用激光——事实上,用一个巨大的迈克尔逊干涉仪。这是LIGO的试验,发射激光束,把它一分为二,然后把双光束以直角送入四公里长的真空管。在将光束集合在一起之前,将它们从镜子上来回弹回400次。现在,假如咱们正确地计算出这些途径的长度,咱们可以使其间一个电磁波的峰值与另一个电磁波的谷对齐,从而使它们彻底抵消破坏性搅扰。咱们看不到任何信号,但假如引力波通过,它会缩短其间一条途径并延伸另一条途径,反之亦然,随时刻振动,回来的光束不会彻底消失。你会得到这些小小的信号。现在,开始的LIGO可以发现它四公里长的臂长改动,约为质子直径的1/1000。除了任何东西都会导致途径长度发作如此细小的改动——极弱的地震活动、行进数英里的轿车、邻近飞翔的鸟。乃至光子速率的量子涨落也会引起噪声。

那么LIGO发现了多少G-M波?

在2002年到2010年之间,当它运转时,它发现了零——底子没有引力波。LIGO真的仅仅抓取了在相对较近的星系中发现中子星和黑洞兼并所需的最低灵敏度。依据对这些工作数量的天体物理学估量,计算出每年你应该得到一个工作的1到1/10000之间的某个值。所以最好的状况是,咱们一共看到8个工作,最坏的状况是,咱们要等一万年才干看到一个。长时刻看不到任何东西后,LIGO会封闭,以便晋级为高档LIGO。一些适当张狂的工程晋级使得它的灵敏度提高了10倍,这实际上意味着它看到的世界体积是本来的1000倍——更或许发现张狂的引力现象。

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