“LIGO怎么探测到引力波？”

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最近，美国科学家宣称，位于华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(简称ligo)已成功探测到引力波。消息一经传出，全球科学界立即引发了轰动，这是世纪性的、革命性的、振奋人心的重大发现，可以类比百年前的人类发现电磁波。这意味着，人类科学研究从电磁波时代进入引力波时代，我们将从全新的探测窗口倾听宇宙“歌唱”。电磁波的应用与开发产生了无线电通讯，这彻底改变了人类交流与信息表达方法，进一步引起今天的新闻革命时代来临。一旦未来的引力波通讯技术开发成功，可能引诱人类进行跨越星际的交流，帮助人类走出地球这一生命的摇篮，向宇宙的深度进军。

ligo如何检测引力波？

激光干涉引力波天文台（laserinterferometergravitationalwaveobservatory—ligo）是美国建设的大型激光干涉仪，由加州理工学院和麻省理工学院负责运行，分别坐落在美国北部的华盛顿州和南部的路易斯安那州，南北距离约2000多公里；干涉仪臂长3公里和4公里，呈垂直布置。一旦引力波闯入地球，引起时空震荡，造成干涉臂距离变动，这将让干涉仪的干涉条纹变化，依此明确引力波强度。 据推算，本次宣布的引力波直接探测，其信号来自距离地球13亿光年的双黑洞的合并事情，持续时间约200毫秒，振荡频率30—150赫兹。两个互相缠绕运动的黑洞质量大约相当于30个太阳，它们在最终的毁灭性的碰撞合并时发出引力波爆发，此发现事情的探测时间是年9月14日（探测编号gw150914）。

什么是引力波？

爱因斯坦的广义相对论（gr）在1915年提出、于1916年发表，这是关于引力场中物质运动的规律描述，而引力场是控制宇宙万物的四个基本相互作用之一，有物质就产生引力场。诸如，地球上的苹果为什么下落？为什么月球围绕地球、地球围绕太阳运动？这些就是万有引力现象的范例。牛顿引力定律只是低速度描述引力场的近似，而爱因斯坦给出更加完美的普适方程，并获得大量实验验证支持；牛顿引力理论无法给出引力波的概念，因为其方程不能提供辐射的解。类比电磁波，有助我们概念的简化、生动理解引力波的含义。广义相对论的引力场方程可以获得如同电磁场一样的传递解，其时空波动的传递速度是光速，依此爱因斯坦预言了引力波的存在。 简单而形象比喻，电磁波是电磁能量的空间传递，而引力波是时空引力能量的传递。不同于电磁波，引力波是物质能量剧烈加速变化引发时空形变的传递；电磁波的源泉则是电场和磁场的震荡传递。但是两者的传递速度是一样的，都是光速，即每秒30万公里（比较地球月球距离38万公里）。此外，引力波的震荡模式（偏振）与电磁波稍有不同。

引力波是怎么产生的？

为什么引力波的检测那么难？

引力波发生在一个巨大的天体突然加速运动，就像当恒星的超新星爆发时，或者当两个巨大的星体发生碰撞，或者两个致密星体合并，诸如中子星与黑洞这类星体的碰撞与合并。由于距离遥远，引力波能量到达地球时的信号非常微弱。现在激光干涉引力波天文台探测器检测的精度相当于，在北京观测上海的原子运动，其难度可想而知。近100年来，全球科学家一直翘首以待这一宇宙物质的波动光顾地球。然而，寻找世间微弱的奇迹，谈何容易，各种大型引力波探测器在世界各地建设，美国激光干涉引力波天文台堪称之最。引力波能量微弱的原因可以类比电子与质子的相互作用，两者的电力作用相当于其引力作用的10亿倍，所以依此设想的引力波能量微弱。虽然引力波在宇宙到处存在，但是其微弱的能量使得我们难于探测到。

引力波的检测主要有那些方法吗？

由于引力波爆发引发时空震荡，使得物体产生微小抖动，所以引力波触发微小时空变化。诸如，黑洞合并时释放出巨大引力波能量，地球的激光干涉引力波天文台的干涉臂被引起微小的震动；双中子星系统的缠绕运动将释放引力波，其轨道尺度变小；脉冲星阵列的监测可以反映引力波穿过时的漂移；引力波损失动量可以导致脉冲星转动速度饱和，等等。对于上述现象的观测和监测，让我们评估引力波的存在证据。1974年，美国天文学家赫尔斯和泰勒，利用阿雷西博305米口径射电望远镜，观测到双中子星系统的轨道收缩，虽然每年3厘米的轨道变化，这与爱因斯坦的预言一致。由于他们间接证实引力波存在，于1993年两人获得诺贝尔物理学奖。在引力波寻觅的征途上，欧洲、日本和澳大利亚也不甘落后，他们相继建设各自的探测器，苦苦等待引力波投来激动的涟漪。依据爱因斯坦理论推算，在几千光年距离远的黑洞或中子星合并事情，其引力波强度可以被激光干涉引力波天文台测到。

这次引力波发现的可信度是多少？

本次宣称的引力波发现，是南北距离两千多公里的两个激光干涉仪的同步探测结果，但是本人对此有90%以上的可靠度。那么，10%的疑虑是什么？其一，在美国激光干涉引力波天文台获得引力波信号时，欧洲引力波设备virgo没有反应，缺少相应的佐证新闻；其二，引力波信号出现时，多家卫星探测器在空间从业，也没有发现宇宙深处的gamma射线爆发、x-射线爆发；而地面光学与射电望远镜也没有发现超新星爆发和射电爆发事情。当然，激光干涉引力波天文台可以如此反驳说，双黑洞外围没有大量吸积物质运动，其碰撞合并不会产生足够多的电磁能量爆发。目前，激光干涉引力波天文台的引力波发现还没有外部佐证事情，这可能被诟病为孤立的“自证”发现事情。激光干涉引力波天文台需要进一步等待新的引力波信号到来，再次证实其发现的可信性。就此，我们回顾一下历史上的引力波事情。1979年，美国马里兰大学物理学家宣称发现引力波，一时间轰动世界，但是之后的质疑声音不断。当时探测引力波采用了铝锭探测器，其灵敏度较低，现在看来那时不太容易探测到微弱的引力波信号。两年前，也曾有人宣称发现了宇宙引力波，可是后来经过仔细审查，发现其误差超过了预期。因为此，我们还需要激光干涉引力波天文台等待未来的再次引力波信号到达，如此才能打消我们的疑虑。

ligo检测引力波的意义是什么？

引力波的发现将是物理学100年来最大的突破之一。到此，爱因斯坦所有预言获得验证，这为广义相对论画上完美句号。引力波曾经间接被发现，但是直接探测这还是首次。正如美国科学家所言，引力波的证实是广义相对论的最后一个“拼图”，广义相对论的其他几大验证早就被实验所说明，包括：水星近日点进动、光线在引力场偏折、引力红移、雷达回波时间延迟、黑洞、自旋进动。 电磁波动的宇宙背景在上世纪60年代发现，引力波在时空背景波动的发现，将深化我们对宇宙的了解，科学研究进入引力波天文学时代。引力波的发现好比百年前的电磁波发现，这将是世纪重大发现事情，将深远影响人类未来。回想一百多年前，英国科学家法拉第和麦克斯韦提出和创立电磁理论，预言电磁波的存在。电磁波是电磁偶极子器件震荡，导致电磁场在空间以光速传递。德国科学家赫兹首先实现和证实电磁波的发射接收，其后意大利科学家马可尼发明无线电报，美国科学家莫尔斯快速发展了有线电报。今天，我们的手机、广播电视，全是电磁波通信，这彻底改变了人类的新闻交流方法。 引力波通信可以与遥远的宇宙实施联络，而减少干扰；由于电磁波受到大气层等离子体干扰、太阳风干扰，以及银河系电荷干扰，所以电磁信号传输距离有限。引力波是物质时空的振荡，传递速度与电磁波一样，但是它是物质加速运动造成的时空能量波动，而不是一个电磁场的波动，所以不受宇宙到处分布的电荷干扰。可以设想，高度文明的外星人已经采用引力波通信技术，进行星际通讯传递新闻，可惜地球人类无法接收其信号；而我们的电磁信号即使传到其他星球，也可能新闻失真，这导致我们彼此在茫茫宇宙中互相寻找，不得知己。 现在，太阳系已经走完45亿年历史，太阳寿命只有100亿年，因为此逃离太阳系是未来人类必需处理的问题，否则人类将与太阳一起在末日的燃烧中终结。倘若借助引力波通讯技术，接收高智慧的外星人新闻，人类获得越来越多宇宙的知识，他们将教会我们怎么到宇宙深处找到新的家园，让我们逃离地球的险恶环境。在21世纪，我们可能“倾听”到外星人的引力波“歌唱”，或许这引诱我们在未来与外星人汇合。找到宇宙深处的“自我”，这或许是人类科学好奇心的原初驱动力，也许是宇宙生命的终极意义吧。

(作者是中国科学院国家天文台研究员)