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    引力的传播速度是光速,科学家是如何测量出来的?

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      万有引力最先是在牛顿的经典物理学中提出的,由于限于当时的时代,没有将引力当作场来对待,而到了爱因斯坦的时代,物理学进步了许多,从而提出了相对论,更准确的解释了引力。

      在爱因斯坦的相对论中,光速是恒定的,并且是不可超越的,但在宇宙间能够达到光速的不仅仅只有光,还有引力、磁场和电场,同样它们也能以光速进行传播。按照牛顿的经典力学来说,引力是瞬间作用的,不过爱因斯坦却认为引力波与光速一致,而后来终于有科学家们证实了引力波的速度,与光速达到了一致。

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      什么是引力?

      首先提出万有引力的是牛顿,在他看来引力可以描述成两个物质之间的吸引力,不过后来爱因斯坦提出了广义相对论,这与牛顿持相反的态度,他主张引力并不是一种单纯的力,它其实是物体弯曲时空的结果,虽然现如今的宇宙天体运行都受到万有引力的制约,但是很明显它是已知的基本力中最弱的一个,尤其是在分子和原子尺度上。

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      如果把一个物体从地上提起来或向上运动,这其实就是在抵消地球的引力,并且在分子和原子水平上,引力相对于其他几个的基本力来说几乎没有任何影响。但引力与其他的基本力作用范围不同,它的作用范围可以延伸到无限远并且还能够无限叠加,而且其强度和质量分布有着密切的联系。

      换句话来说就是只要在一定的空间内不断增加质量,引力的强度就也能够无限增加,因此我们可以毫不夸张的说是万有引力造就了恒星、中子星、黑洞等等。

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      试想一下,如果一个物体能够浓缩到自己质量的史瓦西半径中时,那么最弱的引力就会变成最强的力,并且还能把进入其范围的一切撕碎甚至吞噬掉,即使是具有最高速度的光也是无法从里面逃逸出来的。

      什么是引力波?

      爱因斯坦预言引力波

      在1916年,爱因斯坦首先预言了引力波的存在,他认为引力波其实是由宇宙中某些最剧烈和充满活力的过程所引起的波纹,而且他的数学曾经计算表明巨大的加速物体会破坏时空,从而使时空会有起伏“波纹”并向远离源的所有方向传播,更厉害的是这些宇宙波将会以光速传播,并携带有关其起源的信息以及有关引力本身性质的线索。

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      证明引力波的存在的第一个证据

      但在当时并没有任何证据能够证明引力波的存在,直到1974年才出现了证明引力波的第一个证据,这就要从两名天文学家在波多黎分别使用阿雷西博天无线电台说起,这两位天文学家通过这个电台发现了一个双星脉冲星,而这个双星脉冲星辐射发出的波正是广义相对论预测的这种系统应该辐射出的引力波,这和爱因斯坦在相对论预测到的引力波相似。

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      进一步证实宇宙波的存在证据

      因此天文学家们便开始测量恒星的轨道如何随时间变化,皇天不负有心人,经过八年的观察他们可以确定,如果恒星发出引力波,它们正以广义相对论所预测的速率精确地彼此靠近,这进一步的证实引力波的存在,但是这些都只是间接的接触来证实了引力波的存在。

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      直到2015年9月14日,激光干涉引力波天文台物理竟然感应到了时空的波纹,并且这个波纹是由两个相距13亿光年的碰撞黑洞产生的引力波引起,这使人们更加确定了引力波的存在。

      如何观测引力波?

      引力波探测仪是目前为止最精确的测量系统,为了检测到引力波这种在时空中只有微小的扭曲现象,物理学家们使用了一种称为激光干涉仪的仪器。

      聚焦光束会被朝着不同方向发送在两组镜子之间来回反弹后被送到检测器,如果在这个过程中的引力波经过干涉仪,那么反射镜之间的距离会发生微小的变化,而这个变化就会被探测仪转化为两个信号之间的测量差异。

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      由于来自引力波的信号是比较微小,而受到还会有一些噪音干扰,为了增加引力波对于背景噪音的可检测性,激光经过的路径就会很长。

      激光干涉仪引力波观测台(LIGO),这个仪器是为了隔离来自于地面上引力波引起的干扰,探测器被挂在空中,为了进一步的避免检测错误,LIGO有两个探测器(一个在华盛顿州汉福德,一个在路易斯安那州利文斯顿),在两个探测器上观测到了只差距几毫秒的具有基准特性的信号。

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      引力的传播速度为光速是如何测量出来的呢?

      测试引力波其实是非常难得,因为它们到达地球时已经变得非常微弱了,所以对引力波的检测需要极高的技术条件,而国际上目前通行的引力波测试仪器是激光干涉计。但还有一种间接测试引力波的方法。

      引力与物体的质量有关,一个物体的质量越大,其产生的引力也就越大,而黑洞是宇宙中质量最大的天体,所以当科学家们探测到引力波的时候,一定是在宇宙中出现了两个质量很大的天体发生碰撞,可能是黑洞,还有可能是两颗中子星发生了碰撞。因此我们可以间接地利用中子星来对引力波进行探测。

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      由于中子星会发出比较规律的超高精度脉冲,而通过这一特点,我们也可以测量由引力导致的脉冲星脉冲周期的变化,来估算出引力波变化的上限,以确定引力波的传播速度,这种间接对引力波传播速度的测量已经探测到引力波的探测速度在2.993×10^8米每秒到3.003×10^8米每秒之间。
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