科学大事件 引力波之迷影寻踪

正2016年2月12日,也就是农历"破五",中国传统迎财神的日子。这一天,不仅中国,全世界的物理学界都在欢庆,仿佛迎来了它们的"财神"——被预言已经百年的引力波,终于被探测到了。作为普通大众,我们在被各种社交媒体刷屏的"引力波"洗脑的同时,却很少有人知道,引力波到底是什么?为什么探测到它需要百年努力?它又能给世界带来什么?本期"专题",我们将追随科学家的视野,一起揭开引力波的神秘面纱。     

感受时空震颤的涟漪——来自2016年首期“未来论坛”的科学发声

100年前爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在,经过半世纪的搜寻,这一宇宙学"世纪悬案"于2016年2月11日有了结果:人类首次直接探测到引力波!顿时各界沸腾!这一"高冷"的基础科学突破在普通人中也掀起了涟漪,就让知力君带领大家,聆听引力波研究领域的权威们如何深度解密"引力波"!陈雁北加州理工学院物理学教授、美国物理学会会士、LIGO科学联盟核心成员1916年,爱因斯坦在他的方程中发现了所谓的弱引力场下的解,这个解便描述了引力波。从类比的方法来看,引力波很像水面上的波动。当水面振荡时,它的振荡会以水波的形式传播出去。同样的,时空几     

发现引力波——2017年诺贝尔物理学奖解读

2017年10月3日，终于到了宣布2017年物理学奖的时刻，诺奖委员会宣布：2017年的诺贝尔物理学奖授予三位美国物理学家雷纳?韦斯(Rainer Weiss)、基普?索里(Kip Stephen Thorne)和巴里?巴里什(Barry Clark Barish)，表彰他们对于研制激光干涉引力波天文台以及利用该天文台发现了引力波作出了决定性的贡献。这样的结果毫无悬念，和物理学界大部分学者的预言完全一样。那么，这个科学发现到底是什么？和现代物理学的发展有什么关系？爱因斯坦和这个发现是什么关系？引力波有什么用？有办法防引力波辐射吗？引力波探测与研究的未来是什么？中国在引力波探测领域的现状和未来计划是什么？笔者将在这篇文章里回答上面这些问题。     

关于“引力波”问答

<正>科学家近日宣布,通过南极BICEP2望远镜探测到了物理学家曾预测的引力波在时空中产生的涟漪。BICEP2检测到的这种特别的引力波涟漪是宇宙大爆炸后的急速膨胀所产生的,引力波的发现让我们有幸一瞥宇宙远古历史上最遥远的那一瞬间。"引力波"涉及一些人们比较陌生的概念,以下是关于引力波的问答。BICEP2宣告的意义是什么?科学家需要多年时间来揭示这一发现的意义,以下是目前已经明确的重要意义:·早在100年前,爱因斯坦就已经预测到了"引力波"的存在。根据他的计算,这种引力波可能     

量子宇宙物理前沿——21世纪基础科学革命的突破口

正由引力效应发现的暗物质和暗能量以及与时空结构相关的引力本质和宇宙起源被认为是21世纪最重大的、悬而未决的物理问题,引力波的发现为理解这些科学难题打开了一扇新的窗口.2016年应邀在中国科学院学部年会上做"引力波和引力本质"的大会报告后,随即受到《科学通报》主编高福院士的邀请,期望从学科发展的整体考虑,由《科学通报》     

引力波探索

现在物理学家很少怀疑引力波的存在了,但引力波是什么?怎样才能探测到引力波呢?     

科学的“大”与“小”

正《科学》杂志把"双中子星并合"评选为2017年度重大科学突破,是因为科学家对双中子星并合事件进行了多维度的详细观测,这一突破标志着天文学的发展进入了激动人心的新阶段,展现出潜力无限的未来,同时也是"大科学"研究的绝佳范例。美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的两个探测器和欧洲"处女座"(Virgo)引力波探测器     

引力波来袭

正谁都不会想到,2016年的第一次刷屏会来得这么迅速、这么突然。而且,刷屏的还是那么一个艰深晦涩的专业词汇——引力波。正月初五是中国传统迎财神的日子。但2016年的这一天,不仅中国,全世界的物理学界都沸腾了,仿佛迎来了它们的"财神"——被预言已经百年的引力波,终于被探测到了。一位物理学家甚至这样形容自己的心情:"在新闻发布会上,我的心中就暖流涌动,那是一种强烈的感动,感动到想哭的感觉。"相信大家都已经被各种社交媒体上的"引力波"洗脑了,可能你已经了解了什么是引力波,但为什么探测到它需要百年努力?它又能给世界带来什么?     

引引力波偏振

引力波的直接观测不但开启了一扇探测引力本质的全新窗口,而且使我们进入了多信使引力波天文学时代.引力波不影响单个检验粒子的测地线运动,其偏振态由两个相邻检验粒子的相对运动,即测地线偏离运动所决定.测地线偏离方程中只出现黎曼张量的电分量,它有6个独立分量,所以在最一般的度规引力理论中,引力波最多可以有6种偏振模式.这6种偏振模式分别为:"+"偏振态、"×"偏振态、呼吸偏振态、矢量-x偏振态、矢量-y偏振态及纵振态.爱因斯坦广义相对论中的引力波只有"+"与"×"两个张量偏振态,Brans-Dicke理论中的引力波除了"+"与"×"偏振态外,还有一个呼吸偏振态.在Horndeski及f(R)理论中,引力波除了"+"与"×"两个张量偏振态外,还有一个由呼吸模与纵振模混合而成的标量偏振态.在爱因斯坦-以太理论中,非零矢量场的出现破坏了局域洛伦兹对称性,该理论中的引力波以非光速传播,且具有5个独立偏振态.张量-矢量-标量理论中的引力波传播速度与光速不同,且该理论中的引力波具有6个独立偏振态.因为不同引力理论中的引力波偏振态不同,所以引力波偏振态的测量可用于探究引力本质.     

首例引力波探测事件GW150914与引力波天文学

100年前,爱因斯坦从广义相对论出发,在理论上预言了引力波的存在.自20世纪60年代开始,科学家开始试图在实验上检测来自不同天体物理过程和宇宙学演化过程的引力波信号.经过了50多年的努力,位于美国的LIGO引力波探测器在2015年9月14日终于首次直接探测到了双黑洞合并的引力波信号,为人类的天文学研究打开了一扇全新的"引力波窗口".可以预见到在不久的将来引力波研究会从各个不同的引力波频段上探索宇宙的未知信息.本文从引力波的物理内容、空间和地面的探测手段及噪声限制、引力波在天体物理学等方面的可预见的科学产出、国内和国际上在这个研究领域的最新发展动态等方面,对引力波天文学做了简单的综述和讨论.另外,本文还就LIGO的首例引力波直接探测事件GW150914及其背后的双黑洞合并的物理过程做了一定的介绍.     

透镜化引力波的散射问题及其应用

引力波的直接探测开启了引力波天文学时代.引力波传播路径中的大质量天体,例如黑洞、星系、星系团会散射引力波,发生引力透镜化引力波现象.这种现象包含动态引力场(引力波)、静态引力场(透镜体)以及宇宙学信息.透镜化引力波是引力波探测器重要科学目标之一.本文介绍了利用测地线方程、透镜方程和波动方程研究透镜化引力波的定态散射问题,回顾了利用透镜化引力波-电磁波系统研究引力波张量特性、干涉和衍射效应,以及其在引力波速度、哈勃常数、宇宙曲率、透镜体质量和子结构等方面的应用.     

人类首次探测到引力波涟漪

<正>科学发现史上又一个重要里程碑宇宙时空中的引力波让我们有机会一窥遥远过去宇宙大爆炸瞬间发生的事情。原始引力波的发现如果能得以证实,将在整个科学领域内产生涟漪效应。引力波的存在支持了一些非常关键的预测,例如宇宙是如何开始和运作的,并为将现代物理学的两个基础理论合二为一提供了一线希望。引力波预测成为现实大质量天体加速穿越时空结构时引起空间动荡产生的涟漪就叫作引力波。很早以前,爱因斯坦广义相对论就已经预测到了引力波的存在,尽管它们从未被直接探测到。     

天琴计划与国际合作

<正>2016年2月11日,LIGO(theLaserInterferometer Gravitational-Wave Observatory)科学合作组宣布于2015年9月14日探测到来自GW150914的引力波信号~([1]).这是人类首次直接观测到引力波,也是人类首次观测到双黑洞并合的天文现象.全世界新闻媒体争相报道,造成极大轰动与回响.引力波探测的实现使人类进入了利用引力波来探     

激光干涉引力波空间阵列核心问题的综合讨论

<正>空间激光干涉引力波探测计划,例如欧洲航天局主导和美国参加的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划~([1])、中国的"太极"计划~([2])和"天琴"计划~([3])等,瞄准中低频段(0.1mHz～1Hz)的引力波波源.这个频段的引力波事件     

宇宙空间基础知识ABC

(一)引力波。一种与其他星球通讯的革命性的新方法吗? 光、X射线和无线电波在本质上是完全一样的,只是它们的波长不同而已。X射线波短,无线电波长,光波介于二者之间。它们在真空中都以光速(每秒30万公里)传播。引力波也是这样的吗?据信引力波同样是以光速传播的,但它们的相似之处也只限于此。光、无线电波和X射线都是经由电磁作用空间传播的,因此它们都归入电磁波类。与此不同,引力波是引力的波动,它与引力的强弱变化有关。任何一个物体,不论是高尔夫球还是地球,都产生一种跟它们的质量成比例的吸引力。物体的质量越大,其吸引力也越大。如果把一个高尔夫球用绳子     

前沿

正1人类首次直接探测到引力波美国国家科学基金会召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到引力波。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的2颗黑洞在合并的最后阶段产生的。探测到的引力波信号初始频率为35 Hz,接着迅速提升到了250 Hz,最后变得无序而消失,整个过程持续了仅0.25秒。     

从引力波谈爱因斯坦的幸运

在引力波被直接探测之际,从独特的视角回顾了爱因斯坦创立广义相对论、预言引力波、引进宇宙学常数的历程,也介绍分析了他的若干论文的发表情况,从而将爱因斯坦的若干科学事件有机地融合起来。     

引力波之独特吸引力

<正>百年的期待,百年的梦想,百年的辉煌!引力波是广义相对论的预言产物。1916年爱因斯坦首次推导出引力波的波动方程,认为时空是可以弯曲的,有质量的物体在其中运动,就会产生引力波。这好比石头丢进水里会产生波纹,被形象地称为"时空的涟漪"。然而,一百多年来,引力波却"神龙见首不见尾","只闻楼梯响,不见人下来",神秘莫测,一波三折。一批批一代代科     

动态点击

<正>人类首次"看到"引力波全球多国科学家10月16日同步宣布,人类第一次直接探测到来自双中子星合并产生的引力波,并同时发现这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。我国第一颗空间硬X射线调制望远镜卫星"慧眼"和位于南极的巡天望远镜,都对此做出巨大贡献。本次引力波事件GW 170817是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的新型引力波事件(区别于以往发现的双黑洞并合),发生在距离地球1.3亿光年之外的编号为NGC 4993的星系中。引力波是黑洞等极端天体物理过程中引力场急剧变化。人们形象地称它产生时空扰动并向外传播的现象为"时空涟漪",这种时     

点击

<正>制造太空探测器寻找宇宙引力波根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙引力波是由大质量天体的合并、碰撞等事件形成的,它如同时空中的涟漪,对人类探索宇宙有着极其重要的意义。而要寻找它们,就需要精密探测器的支持。目前,欧洲空间局正在全力打造LISA"探路者"引力波探测器,这也是今年宇宙学研究领域的一个重要事件。