引力波是怎么被探测的

2017年诺贝尔物理学奖,颁发给了美国物理学家外斯(Rainer Weiss), 巴里什(Barry Clark Barish) 和 索恩(Kip Stephen Thorne), 以表彰他们为LIGO 探测器建设以及引力波探测所作出的贡献。

蹭点热度,介绍下LIGO测量引力波的方法。

笔者从事IT工作多年,当年老师教的知识也还的差不多了。 讲的不准确的地方,大家海涵。

引力波

根据爱因斯坦的广义相对论, 引力场是时空中的曲率。 质量在时空中运动,引起了曲率的变化。这种变化会以光速向外传播,这种时空波动的涟漪就是引力波。

并不是所有的运动都会产生引力波,必须是非对称的运动造成了四极矩随时间变化才能产生引力波。举个例子,如果你转一只铅笔。如果沿着铅笔芯转,就不会产生引力波。但在指尖进行转笔。就会引起引力波动了。

当引力波经过地球的时候,我们整个时空,当然也包括所有的物体,每个人都被拉伸,压缩;再拉伸,再压缩。

这时候,空间中的两个物体的距离会发生变化。但两个物体之间的距离变化不需要任何的作用力。变化的是空间本身!

想象图,引力波通过地球时,地球被“压”变形

因此,只要我们看到两个物体之间的距离变化了, 并且在这个过程中物体并没有受力,我们就知道是引力波来了。

引力波的探测原理

引力波的探测有两个难点:

  • 探测两个物体的距离, 我们不能用普通的尺子。因为,引力波通过时候,空间中一切物体都会变形,一般的尺子也会变形,拿尺子量是无法测量出物体之间距离变化的。

  • 引力波强度和传播距离成反比,导致宇宙深处传来的引力波引起空间应变很小。 2015年9月LIGO检测到的引力波应变也只有10-21 . 也就是说1米的物体,只会被压缩或拉伸10-21米。 与此对比, 一个质子的点和半径大约是10-15米。检测如此之小的形变,几乎是天方夜谭

解决这两个难题,需要利用到Michelson光干涉仪。 他的基本原理如下图。

Michelson光干涉仪光路图

光源发出激光,通过分束器,分别把相关光射向两个平面镜。光到达平面镜后,经过反射再返回到光学分束器合并之后,在检测器上呈现了相干图像。

光在干涉仪中有两个光路,一个走过光程A,另一个走过光程B。光程差是光波长的整倍时,就会出现相长的干涉图像。如果是光程差是光波长的0.5 1.5 2.5倍时,就会出现相消的干涉图像。 只需要观察相干图像的明暗变化,就知道平面镜和分束器的距离出现变化了。

对于前面提到的两个难题

  • 光速是最基本的宇宙常量,具有不变性,光波长不会随着空间的变形而变形。 所以引力波经过地到球的时候,平面镜到分束器的距离变了。由于光程A和光程B是垂直方向,两个方向变化幅度不一致,而光波长不变,我们就能看到相干图像的明暗变化了。
  • 由于引力波的变化太小,实际上光程A与B之间的光程差变化也很小。真实的干涉仪的干涉臂需要修的很长,并且让光在干涉臂反复折返才能累计足够的光程差。

LIGO , 不是乐高 (LEGO) :-)

激光干涉引力波天文台(英语:Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,缩写:LIGO)是一个超大规模的激光干涉仪。

  • LEGO 有两个4KM 的干涉臂
  • 为了提升精度,LEGO让光在干涉臂里跑280圈,才进行合并干涉
  • 为了数据的准确性,确认距离变化是引力波而不是其它干扰,如地震,引起的。一共建立了两个一摸一样的LIGO,一个在美国的西北角,一个在美国的东南角落。只有两个实验室,在相差7ms(引力波在两个LIGO之间传播的时间)里看到一模一样的测试结果,才算是有效的。
两个LEGO 一个在华盛顿,一个在路易斯安那
Google maps上看到的两个四公里的干涉臂
再来张实景

LIGO“听”到了什么

  • 两个LIGO在时间间隔7ms,发现了一摸一样的震动波形。 震动频率在8个来回从35Hz增加到250Hz.
  • 据科学家分析(我是完全不懂), 这是13亿光年外,也就是13亿年以前。 两个质量分别为36倍太阳质量和24倍太阳质量的黑洞合并放出的。由于黑洞的引力场如此强大,合并中减少的3.05倍太阳质量的能量不能由电磁波传出,几乎全部以引力波形式传出。传了13亿年,传到了地球!
  • 黑洞合并之后,新的黑洞本身再怎么旋转, 四极矩不再剧烈变化(就像前面提到的铅笔沿着自己的笔芯旋转),引力波也就消失了。
两个黑洞互相绕着旋转,越转越快,最后合并了

参考文献

  1. Wikipedia : 激光干涉引力波天文台
  2. Youtube: The Absurdity of Detecting Gravitational Waves, 强烈推荐去看
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 202,529评论 5 475
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,015评论 2 379
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 149,409评论 0 335
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,385评论 1 273
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,387评论 5 364
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,466评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,880评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,528评论 0 256
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,727评论 1 295
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,528评论 2 319
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,602评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,302评论 4 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,873评论 3 306
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,890评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,132评论 1 259
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,777评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,310评论 2 342

推荐阅读更多精彩内容

  • 编者按: “过去几天有点太疯狂了!”2月14日,英国格拉斯哥大学天文与物理学院教授、LIGO科学合作组织成员希拉·...
    知识分子阅读 588评论 0 2
  • 引言: 备受瞩目的引力波发现研究已经在国内各大媒体得到了广泛的报道,但这个涉及到科学技术、历史、科学家、甚至谬误与...
    知识分子阅读 300评论 0 1
  • 你无意间把自己渲染成尘世的颜色, 如飘飞的红叶在季节里燃烧。 悬崖上那束野花,正隐姓埋名在世间疯长。 疲劳的阴影,...
    蓬年阅读 265评论 3 6
  • 每次我过生日前夕,您总会笑眯眯的问我:“明天你生,推点豆花儿吃,再得街上买点肉要的不?”我总会说好的呀!现在没有人...
    情倾阅读 210评论 0 0
  • 你告别一些不合适的她们 又想遇见谁呢 你离开一串不温暖的城市 接着要去哪儿呢 你丢掉一身不现实的梦想 剩下的是什么...
    祝柯Risu阅读 152评论 0 0