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  • 犹抱琵琶半遮面,揭开引力波的神秘面纱

    犹抱琵琶半遮面,揭开引力波的神秘面纱

    清晨六时左右,科学家观测到了一个人类从未看到的现象:两个黑洞相撞。这两个黑洞的质量均相当于太阳的 30 倍,它们已经围绕对方旋转了数百万年。在这个过程中,它们逐渐靠近,旋转速度也越来越快,最终它们撞了在一起,并融合为一个更大的黑洞。就在这两个黑洞即将相撞之前,它们向宇宙发出了光速的振动波。而数十亿年后,在地球上,一个简写为“LIGO”的激光干涉引力波探测器检测到了这次振动。振动信号仅持续了0.2秒,也是 LIGO 首次观测到的引力波。

    犹抱琵琶半遮面,揭开引力波的神秘面纱

    这些宇宙中的涟漪到底是什么?让我们从引力说起——这种拉近两个物体的力量,在可观测的宇宙中,无处不在。你正在吸引地球、月球、太阳,以及宇宙中每颗星星,它们同时也在拉动你。物体的质量越大,它产生的引力就越大。物体间的距离越大,引力就越小。假设在宇宙中,无论多么微小的物质都对其他物质有引力,那引力的变化就能告诉我们,这些物质在做什么。宇宙中传来的引力的波动,就是所谓的引力波。引力波从碰撞点向外扩散,就像水面的涟漪。远离涟漪中心的同时,强度也会逐步衰减。但是,传递引力波的介质,是什么呢?

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    当爱因斯坦提出广义相对论时,他将引力比拟为时空面上的一条曲线。空间中有质量的物体,让时空产生了弯曲,另一物体穿过弯曲区域时,便会改变自身原有轨迹,就像被其他物体吸引过去一样。物体的质量越大,时空的弯曲也就越明显,该物体产生的引力也就越强。当该物体发生运动时,便在时空中产生了“涟漪”。这些“涟漪”就是引力波。引力波会让人产生什么感觉呢?如果人体足够敏感,能够感知引力波的话,我们会感觉身体被水平拉伸,同时被竖向挤压。接下来,身体会被竖向拉伸、并水平挤压;水平拉伸、竖向挤压,再是竖向拉伸、水平挤压。这个过程周而复始,这就是引力波穿过人体的感觉。不过,这个效应十分微弱,人体根本无法察觉。所以,我们建造了探测器,以感知引力波。这就是 LIGO 的功能。

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    LIGO 并不是唯一的探测器,全球各地都有引力波探测器。它们呈 L 形,两侧有很长的臂状结构,臂状结构的准确长度由激光测量。如果测量值发生变化,很可能就是因为引力波正在拉伸、挤压这些臂状结构。一旦探测器感知到了引力波,科学家就能够提取关于引力波来源的信息。某种意义上说,LIGO 这类探测器,如同一台大型引力波收音机。普通的无线电信号穿梭在我们周围,但我们却无法感知它们,也听不到它们携带的音乐。我们需要正确的探测器,才能提取信号中的音乐。科学家借助 LIGO 探测到的引力波信号,研究产生引力波的物体。他们能够从中提取物体质量、运行轨道等信息。这些信号也可通过扬声器播放,这样我们就能听到引力波,就像收音机从无线电波中提取音乐那样。因此,两个黑洞相撞,听起来是这样的,啾啾啾。科学家将这种口哨一样的声音称作啾声,这是两个物体互相环绕时发出的标志性的声音。

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    黑洞相撞只是一个例子,引力波还能传达很多信息。其他高能量的天文现象也会向外传递引力波。比如恒星坍缩爆炸成为超新星,或是高密度中子星的相撞。每当人类发明了探索太空的新工具,我们总能获得意外发现,这些发现或许能彻底改变我们对宇宙的认知。LIGO 也不例外。即使仅仅被投入使用了很短时间,LIGO 已经为我们带来了惊喜,例如,黑洞相撞的发生比我们想象得更为频繁。尽管现在还很难确定,但我们可以很兴奋地想象,还有什么新发现正在跨越宇宙,走向我们这颗小小的蓝色星球,让我们对宇宙产生新的看法。

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    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3. 粒子- Chien Yet Chong- Viviana Hu

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