引力波的发现及其重要意义Word格式文档下载.docx

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２０１６年２月１１日，ＬＳＣ（ＬＩＧＯ科学合作组织，

ＬＩＧＯＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）向全世界宣布：

人类首次直接探测到了引力波，并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合．

１ 什么是引力波

根据广义相对论可知：

在非球对称的物质分布情况下，当物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，就会产生引力波．在宇宙中当致密星体碰撞并合运动时，由于大质量天体的运动就会扰动周围的时空，形成扭曲时空的波动并以光速向远处传播，形成引力波．故引力波的本质就是时空自身的波动，而非电磁波，电磁波是在时空中传播的，时空是它的媒介．

可用图１来模拟引力波效应，如图所示在引力波穿过圆时，该圆会发生畸变———圆内空间将随引

力波的频率会在一个方向上被拉伸，在与其垂直的方向相应地被压缩．

图１引力波竖直穿过由静止粒子组成的圆时，圆形状发生的变化

相较其他的几种力（强力、弱力和电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱．引力波的强度通常利用相对变形大小来表示（引力波的强度由无量纲量ｈ表示，ｈ又被称为应变，其物理意义是引力波引起的时空畸变与平直时空度规之比），引力波的强度往往是小得几乎无法探测到．即使是很强的天体物理引力波源所释放的引力波强度到达地球时也只有１０－２１，这个强度的引力波在整个地球上产生的空间畸变不超过１０－１４ｍ．

引力波的效应是如此之小，那么什么样的天体

才能够撼动我们的宇宙时空，让位于遥远地球的我们探测到呢？

现在通常认为有如下４种可能：

一是旋进或者合并的致密星双星系统．例如中子星或者黑洞的双星系统；

二是快速旋转的致密天体．例如非对称的中子星之类的；

三是随机的背景引力波．随机的背景引力波，又叫做原初引力波，它是早期宇宙暴涨的遗迹；

四是超新星或者伽马射线爆发，恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波．

２ 引力波的发现

在过去的几十年里，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在不断地做出努力．其中最著名的是通过对脉冲双星ＰＳＲ１９１３＋１６的持续观察，从而间接地证明了引力波的存在．

根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此

绕旋时，该体系会产生引力辐射．辐射出的引力波会

作者简介：

李燕（１９７０－），女，硕士，副教授，主要从事物理学教学研究．



—１２３—

带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会逐渐变短．

从１９７４年以来，美国物理学家泰勒（Ｊｏｓｅｐｈ

Ｔａｙｌｏｒ）和赫尔斯（ＲｕｓｅｌＨｕｌｓｅ）花了３０多年的时间利用射电望远镜持续观测脉冲双星ＰＳＲ１９１３＋

１６（脉冲双星ＰＳＲ１９１３＋１６是由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统）的半

长轴以及周期，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：

周期变化率为每年减少７６．５μｓ，半长轴每年缩短３．５ｍ．这是人类第一次得到引力波存在的间接证据．泰勒和赫尔斯由此荣获１９９３年诺贝尔物理学奖．

在２０世纪７０年代科学家们建造了引力波激光

干涉仪来探测引力波．如图２所示，引力波激光干涉仪工作原理如下：

有４个测试质量被悬挂在天花板上，一束频率稳定的单色激光从激光器发出，通过分光镜后被分为强度相等的两束，一束经分光镜反射后进入干涉仪的Ｘ臂，另一束透过分光镜进入与其垂直的Ｙ臂．经过末端测试质量反射，两束光返回，并在分光镜上重新相遇，可通过调整Ｘ，Ｙ臂的长度从而满足产生干涉现象的条件，让两束光相消，此时光子探测器上没有光信号．当有引力波从垂直于天花板的方向进入时，会对两臂中的一臂拉伸，另一臂压缩，因此破坏了干涉条件，探测器端的光强就会有变化，从而得到引力波信号．

图２引力波激光干涉仪原理图

自２０世纪９０年代起，在美国的华盛顿州与路易斯安那州分别建造了“激光干涉引力波观测站”（ＬＩＧＯ）．两个观测站相隔数千英里，用来侦测穿过地球的太空引力波．

如图３所示，每座观测站的设施主要由两条长

２．５英里的隧道组成，当有引力波经过时，它就会沿着一条隧道的方向拉伸空间，沿着另一条隧道的方

向压缩空间．从而让隧道发生细微的形变，然后就可以利用激光来侦测这种极其微小的形变了．

图３激光干涉引力波天文台实验室探测地点

在２０１５年９月１４日北京时间１７：

５０：

４５，美国科研人员利用两台激光干涉探测器同时观测到了引力波（现被称为ＧＷ１５０９１４事件）．此后科学家们把获得的引力波应变数据进行了分析，通过数据分析证实了ＧＷ１５０９１４是一个３６倍太阳质量的黑洞和一个２９倍太阳质量黑洞并合事件．

数据表明在合并后产生了一个６２倍太阳质量带自旋的ｋｅｒ黑洞．并合将大约３倍太阳质量（大约６００×

１０２８ｋｇ）转换成了引力波能量，以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过１３亿年的漫长旅行，终于抵达了地球．

数据还表明，这两个黑洞在并合前的间隔只有

数百公里，引力波的频率在此时大约为１５０Ｈｚ．由合并前总质量可知，双中子星的总质量远低于此．而如果是一对黑洞和中子星组成的双星系统的话，它们必定会在远低于１５０Ｈｚ的时候就早已开始合并了．黑洞是唯一已知在如此近的距离都不会碰撞融合的物体，因此可确凿无误地证明ＧＷ１５９０１４是一次双黑洞的并合事件．

这是有史以来对黑洞的最直接观测，黑洞无法

用普通的天文望远镜观测．到目前为止，这种天体的存在只能靠它们身边围绕着的恒星与气旋间接发现．

３ 直接探测到引力波的意义

首先，这一发现支持了相对论．爱因斯坦于

１９１６年发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的原初引力波的存在．在过去近百年中，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移现象等都已获证实，只有原初引力波因信号极其微弱而很难测量．所以原初引力波的发现

（下转第１２９页）

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２０１６年１０月 物理通报 短文荟萃

１５．哪种动物会在水下吹环形气泡？

（Ｃ）

Ａ．海狮 Ｂ．海象 Ｃ．海豚 Ｄ．海豹

１６．下面哪种情况下不能出现闪电？

（Ｄ）

Ａ．雷雨云 Ｂ．火山灰

Ｃ．沙尘暴 Ｄ．花粉雨

１７．强磁铁从同样规格的圆管下落，哪个经历最长？

（Ａ）

Ａ．铜管 Ｂ．铝管 Ｃ．塑料管Ｄ．钢管

１８．盆中有水和沙，旋转水，当水停止时，沙的形状是 （Ｄ）

Ａ．圆形 Ｂ．椭圆形Ｃ．星形 Ｄ．花瓣形

１９．高空闪电（１０ｋｍ上）称为 （Ｃ）

Ａ．妖怪 Ｂ．神仙 Ｃ．精灵 Ｄ．恶魔

２０．玉米淀粉加水搅拌，这种流体称为非什么流体

（Ｂ）

Ａ．安培 Ｂ．牛顿 Ｃ．帕斯卡Ｄ．伯努利

２１．飞机尾焰中的环称为什么环？

Ａ．牛顿 Ｂ．欧姆 Ｃ．马赫 Ｄ．伯努利

２２．微笑的彩虹是由于光在什么物体中折射形成的？

Ａ．水滴 Ｂ．冰晶

Ｃ．火箭尾气 Ｄ．飞机尾气

２３．参有铀的玻璃杯，在紫外线照射下，呈现什么颜色？

（Ｂ）

Ａ．红 Ｂ．绿 Ｃ．黄 Ｄ．蓝

２４．战斗机驾驶员舱室玻璃种掺杂什么金属粉，能吸收雷达微波，反射面减小？

（Ａ）

Ａ．金 Ｂ．银 Ｃ．铜 Ｄ．铝

２５．当太阳升起或下落时候，在合适的条件下，你会看到太阳顶部出现一种特殊的颜色，亦闪而过，这称为 闪？

学习物理不仅仅是为了各种各样的考试，或许在将来，学习把玩欣赏物理，只是一种纯粹的业余爱好，爱好者中会出现类似比尔盖茨这样的高端人物．其实，比尔盖茨已经这样做了，他把费曼的物理讲义版权购买下来，免费发布在网上，供爱好者自由下载学习．对于这样的可能趋势，本文中的题目能起小小的一点萌芽作用，就不错了．

櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆

（上接第１２４页）

是广义相对论的又一有力证据．

其次，这一发现开辟了引力波观测窗口．英国著名理论物理学家斯蒂芬·

霍金表示：

“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式．（人类）探测到引力波的这种能力，很有可能引发天文学革命．”

南非夸祖鲁－纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲说，天文学的发现几百年以来主要靠电磁光谱的测量，射电、光学、红外、Ｘ射线等天文观测手段均是在收集光，靠“看”观测宇宙．引力波的发现将从

“听”这一完全不同的角度进行天文观测，引力波天

文学这门新学科的大门也由此打开．

第三，这一发现支持了暴涨理论，有助于真正理解宇宙大爆炸原初时刻的物理过程．引力波以光速传播并能够穿透电磁波无法穿透的空间，它与物质的相互作用非常弱，所以利用引力波，可以探究１３８亿年前创生宇宙的“大爆炸”，看到宇宙大爆炸之后的１０－３５方秒的时间里开始的宇宙形成过程．所以引力波是了解宇宙形成的最好工具，有助于人类了解宇宙的起源和运行机制．

总之引力波探测将人类探索宇宙、发现真理的历程带入一个崭新的时代，我们更期望引力波能够继电磁波之后成为通讯的新媒介，为人类所用．

参考文献

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／／ｎｅｗｓ．ｓｏｈｕ．ｃｏｍ／２０１６０２１２／ｎ４３７２４３８８９．ｓｈｔｍｌ

２ 晨风．人类首次直接探测到引力波［ＥＢ／ＯＬ］．

［２０１６－０２－１１］．ｈｔｐ：

／／ｔｅｃｈ．ｓｉｎａ．ｃｎ／ｄ／ｔｋ／２０１６－０２－１１／ｄｅｔａｉｌ－ｉｆｘｐｍｐｑｔ１０８７６３９．ｄ．ｈｔｍｌ？

ｖｔ＝４＆ｐｏｓ＝１８

３小碧．ＬＩＧＯ为什么能够成功？

除了引力波，还有其他被

忽视的发现［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１６－０２－１５］．ｈｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｉｎｆｚｍ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎｔ／１１５２７８

４刘博洋．如何评价ＬＩＧＯ科学团队宣布探测到引力波及其影响［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１６－０２－１２］．ｈｔｐｓ：

／／ｗｗｗ．ｚｈｉｈｕ．ｃｏｍ／ｑｕｅｓｔｉｏｎ／４０１６４９５４

５朱家浒．什么是引力波？

学者：

发现它意味着人类有了第

六感［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１６－０２－１２］．ｈｔｐ：

／／ｎｅｗｓ．ｉｆｅｎｇ．ｃｏｍ／ａ／２０１６０２１２／４７４１２２２２＿０．ｓｈｔｍｌ

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