爱因斯坦在1916:从引力波到量子电磁辐射理论

 1916年,爱因斯坦预言引力波,并提出量子电磁辐射理论、完善光子概念、指出量子过程的内在随机性。百年之后,爱因斯坦预言的引力波通过激光的干涉被探测到,而激光正是基于爱因斯坦的量子电磁辐射理论。引力波探测技术还与爱因斯坦的光子概念和布朗运动理论相关。因此引力波首次被直接探测是对爱因斯坦广义相对论、量子电磁辐射理论2 方面工作的100 周年纪念。本文梳理引力波探测技术中的“爱因斯坦元素”,即激光、光子和热噪声,然后通过对第一手资料特别是爱因斯坦那段时期的信件的分析考证,回顾爱因斯坦在1916年的研究历程,寻找爱因斯坦在引力波和量子电磁辐射理论2方面工作的历史联系。     

激光干涉引力波探测专题·编者按

<正>引力波是广义相对论最重要的预言.引力波不被屏蔽,具有极强的穿透性,它可带来借助其他方法无法得到的,关于黑洞、致密星、星系核等的大量信息;它把对宇宙的观测推向暴涨阶段;它是在极高精度范围内检验广义相对论的探针.它还将在揭示引力场量子行为中起到不可或缺的重要作用.爱因斯坦在建立广义相对论后,很快就于1 9 1 6年提出了引力波的概念.然而,就连爱因斯坦本人也曾怀疑引力波能否被人类探测到.在经历了4 0多年的争论后才确认,引力波能够脱离源、携带能量在真空中传播,从而开启了引力波探测的大幕.     

科学家发现引力波

美国科学家宣布,他们探测到引力波的存在.引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”. 美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员当天在华盛顿举行记者会,宣布他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号.     

引力波爆发事件的电磁对应体的探测

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO第一次直接探测到,开启了探索宇宙的一个崭新的窗口.伴随着Advanced LIGO科学运行期的继续运行,以及未来几年其他第二代探测器,例如Advanced Virgo,LIGO-India的陆续建设和投入使用,将有越来越多的引力波信号被探测到.最新的双中子星并合引力波事件的电磁对应体被探测到,极大地丰富了引力波天文学的科学内容,人类进入全新的多信使天文时代,例如:提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计,确定引力波源的红移、破除引力波模型中的简并参数,确定引力波事件前身天体的物理环境以及其产生的物理机制、测量宇宙学参数等等.由于引力波探测器的定位能力较差(Advanced LIGO~十至几百平方度),探测引力波事件电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求.爱因斯坦探针具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优势,特别是其大视场和高灵敏度,为引力波事件电磁对应体的探测提供了一个理想的观测平台.爱因斯坦探针的成功运行,将促进引力波天文学和引力波宇宙学的发展,并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面处于国际领先的地位.     

蔡荣根:探测到引力波的意义

 2016 年2 月11 日,也就是爱因斯坦预言引力波后100年,美国科学家宣布,他们利用激光干涉引力波天文台(ALIGO)于去年9 月首次探测到引力波。《科技导报》第一时间采访了中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根。     

科学是永无止境的前沿

<正>北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,架设在南极的宇宙微波背景辐射探测器BICEP2捕捉到了宇宙暴涨时期遗留下来的宇宙原初引力波。这是爱因斯坦提出了相对论以来,人类首次直接探测到的引力波信号。这一发现无疑进一步夯实了爱因斯坦的广义相对论和量子理论这两大现代物理学理论的基础。多年以来,包括欧空局的普朗克卫星在内的全球多个天文台都在寻找原初引力波,然而这一次还是     

引力波会告诉我们什么——从LIGO首次直接观测到黑洞引力波说起

 LIGO 宣布首次直接探测到引力波,是一项震动世界的里程碑式科学发现,它将开启引力波实验的新纪元。本文介绍直接探测引力波的意义、致密天体引力波的直接探测手段,指出原初引力波的探测将是下一个值得期待的重大科学突破。介绍了探测原初引力波的意义以及即将在中国西藏阿里地区展开的阿里原初引力波探测实验,并对引力波开启的天文物理的新时代做了展望。     

引力波探测器联网的定位能力

引力波是爱因斯坦最重要的预言之一,是检验广义相对论正确性的重要工具.引力波理论及其探测一直以来都是理论物理学家和实验物理学家感兴趣的研究领域.事实上,随着科学技术的发展,人类已经具备了建造极度灵敏的地面探测器以及空间探测器的能力,直接探测引力波已经成为现实.2015年9月14日,LIGO首次直接探测到引力波,该信号源自一次双黑洞并合事件,自此人类进入引力波常规化探测阶段,终于拉开了引力波天文学时代的序幕.地面引力波探测器最主要的波源是处于旋近和并合阶段的致密双星.如果在探测到这些波源所辐射出的引力波信号的同时,又能观测到波源对应的电磁波信号,那么引力波信号和电磁波信号可以相互补充,形成新的观测模式.然而单个地面引力波探测器很难准确地探测引力波信号,也不能进行波源精确定位,将多个探测器联网组合,这样既能准确探测引力波信号,又能大幅提高引力波波源的定位精度.本文中,首先介绍探测器联网对引力波信号GW150914源的定位情况,然后介绍了两种最常用的估计定位精度的方法,即马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)的方法和解析的方法.最后,选用一种解析的方法讨论未来中国引力波探测器与日本及澳大利亚所组成的探测器网络的定位精度,并给出了中国的较优台址.最后,还讨论了中国加入世界引力波探测器网络行列对引力波波源定位的贡献.     

世界六大科学悬案

一、外星人除地球外,别的星球是否有生命存在?二、黑洞天体1984年初,美国与加拿大的科学家确证银河系的大麦哲伦星系中有一个“黑洞”,质量为太阳的8-12倍,但还需要找出直接证据。三、引力辐射探测 1916年爱因斯坦从理论上证明,引力是一种波动过程,称为引力波。     

引力波:打开探索宇宙的新方式

正2016年2月11日,北京时间23:30分,加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联以及美国国家科学基金会,向全世界宣布:我们真的探测到了引力波!那么何为引力波?实质上它是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹一样。时光退回到100年前,当时的爱因斯坦曾预测过引力波的存在:他发现自己的方程有一组解,和电磁波的性质类似,以光速传播。然而他在文章里提及——这个引力波辐射的能量很少,在所有能想得到的情况下,引力波的辐射都可以被忽略。之后的许多年里,物理学家都搞不太清这个解的物理     

引力波:广义相对论的世纪礼物

正1915年11月,爱因斯坦向普鲁士科学院递交了3篇论文,描述了引力场的正确方程,标志着广义相对论的诞生。根据广义相对论,物质的质量使得空间扭曲,而其加速运动就会产生引力波。不过这种波动极其微弱,甚而爱因斯坦本人都曾认为是不可能被探测的。不过,在2016年2月11日,美国国家科学基金会(NSF)召开新闻发布会,宣布高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory,aLIGO)于2015年9月14日发现了一起由双黑洞并合产生的     

用磁悬浮陀螺探测引力波的方案

无论是韦伯最早用来直接探测引力波的铝柱,还是当今探测引力波的主流设备激光干涉仪,都是静止固定的天线．对来自外界的各种波不加选择地一概接收,造成波之间互相干扰;再加上来自地表的噪音,使被测信息难以辨识．利用磁悬浮陀螺作为探测引力波的天线,在旋转的陀螺减速过程中,可能与某一频率相近的引力波共振,使信息得到放大;有效地提高灵敏度并避免地面杂散信号的干扰．     

引力波探测检验广义相对论

自2015年9月14日人类第一次探测到引力波以来,引力波探测的进展非常迅速.到目前为止LIGO已确认双黑洞并合引力波探测结果5例,分别为GW150914,GW151226,GW170608,GW170104和GW170814.以及确认的双中子星并合引力波探测结果1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究自2016年以来的发展也异常迅速.引力波的成功探测定性地支持了广义相对论.但引力波探测作为涉及强引力场、强动态时空区域的实验,它还可以定量地检验广义相对论,甚至有可能发现广义相对论的适用范围,指引超越广义相对论引力理论的发展.本文将针对如何利用引力波探测检验广义相对论的问题,从引力波定性性质、引力波极化自由度、引力波传播速度以及引力波波形特征几个方面作一个较为全面的介绍.     

引力波

探测引力波,是最近物理学的一个新课题。1969年6月,美国马里兰大学的韦伯宣布,他们的实验组接收到不能排除是引力波所产生的讯号。为了检证韦伯的观测结果,一些国家相继成立了实验小组,并研究新的探测装置。到目前止,很多实验结果都基本上否定了韦伯的结论。但这并不等于否定引力波的存在,对引力波的探测工作,在世界上正迅速开展起来,更灵敏的新探测装置和新的探测方法都不断出现。引力波是什么?研究它有什么意义?这是不少人想了解的问题,在这里我们作一简单介绍。辩证唯物论认为,物质是运动的。波动是物质的一种比较普遍的运动形式。投石入水会引起水波,气笛长鸣会产生声波,这都是我们所熟悉的波动现象。这类波是普通物体(如水,空气)的一种机械运动,它是不能脱离这些物体而存在的。     

引力波探测:引力波天文学的新时代

 美国LIGO 于2016 年2 月11 日宣布首次探测到了引力波,引起全世界范围的广大反响。本文解答从什么是引力波、引力波是如何产生的、人类为什么坚持不懈地探测引力波、如何探测引力波,介绍国内外引力波探测的现状,并对引力波探测的未来进行展望。     

封面图片说明

 2016年12月30日,中国科协发布了2016年度“十大科学传播时间”（按事件发生事件顺序）：1、人类2次探测到引力波,爱因斯坦预言被证实。     

科学家宣布探测到引力波 广义相对论最后预言获证

正美国东部时间2016年2月11日上午,美国国家科学基金会与来自加州理工学院、麻省理工学院以及科学合作组织"激光干涉引力波天文台"(LIGO)的科学家在华盛顿全国新闻中心共同宣布,LIGO于去年9月14日首次探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前所做的预测,弥补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的"拼图"。     

“天琴计划”太空中捕捉宇宙涟漪

 2016 年2 月11 日,美国国家科学基金会(NSF)宣布第一次直接探测到引力波的存在,引起全世界的广泛关注,这项成果被认为是物理学界里程碑式的重大成果。目光聚焦中国本土引力波探测工程,由中山大学牵头、利用人造卫星探测空间引力波的“天琴计划”经过媒体的多番报道,逐渐为关心引力波探测的人们所注意。     

LIGO真的探测到引力波了吗?——电磁相互作用的存在导致LIGO探测引力波的实验无效

在现有广义相对论中,引力波对距离影响的公式只适合于真空中受引力作用的粒子。LIGO实验在地球表面进行,激光干涉仪固定在地表上,处于电磁相互作用的平衡状态。电磁力比引力强10~40倍,引力波不可能克服电磁平衡力使两个干涉仪的距离发生改变。由于没有考虑到这个因素,LIGO实验的设计原理存在严重的问题,其关键的数据分析和计算都是错的。这也是韦伯引力波实验失败的真正原因,探测引力波的实验必须移到太空中进行。除此之外,LIGO实验还存在以下问题:一.没有发现引力波的暴发源,所谓的双黑洞并合事件,只是激光干涉仪测定到的数据与爱因斯坦理论的计算机拟合结果,不代表天文和物理上真实发生的事件。二.LIGO实验证实爱因斯坦引力理论的说法是循环论证,在逻辑上不成立。三.LIGO实验引力波能流密度的计算会导致自相矛盾的结果。四.LIGO实验的理论分析采用数值相对论,为了消除黑洞的奇异性引入许多修正导致误差。由于引力场方程的非线性,蝴蝶效应使误差放大。五.长度改变10~(-18)米的测量远远超出现有技术的能力,实际上不可能实现。这种精度的测量已经进入微观领域,并违背量子力学的测不准原理。LIGO实验中出现的信号不是由两个干涉仪之间距离的变化引起,而是由干涉仪的振动引起。六.因此LIGO实验中探测到的不可能是引力波的信号,可能是来源于两个干涉仪中间地带的某种干扰信号。     

引力波之谜(下)

正探测意义为什么我们要花费这么多人力、物力、财力去探测引力波?探测引力波的意义非常重大。英国著名理论物理学家霍金曾说":引力波为人们提供了一种看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。"资助引力波探测的美国国家科学基金会的负责人柯多瓦也说过这样一段话:"如同伽