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引力波（美国爱因斯坦提出的物理概念）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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引力波

本词条是多义词，共2个义项

美国爱因斯坦提出的物理概念

在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。引力波最早是爱因斯坦在广义相对论中提出的，即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。通俗地说，可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波。

引力波以波动形式和有限速度传播的引力场；按照广义相对论，加速运动的物体会产生引力波。力波属于横波，在远源处为平面波，携带能量，在真空中以光速传播等，应该可被探测到。

2014年3月17日美国科学家首次直接探测到宇宙大爆炸的第一波震荡，即原始引力波。2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径。

基本信息

中文名	引力波
别名	Gravity wave
外文名	Gravitational wave
提出者	爱因斯坦
提出时间	1939年

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内容简介

引力波确实不好理解，毕竟如科学巨匠牛顿这等人物都理解不了。但要理解引力波，还得从牛顿说起。当年牛顿的头被下落的苹果砸了一下，如果是砸到肯定就把苹果一口咬掉，但他却由此意识到万物之间普遍存在着一种很微弱的力，称之为“万有引力”，虽然平常两个人之间感觉不到它的存在，但是在天体的级别，由于天体的质量很大，所以引力也变得很大了，这样才不会掉到宇宙的虚空里了。万有引力理论是一个很成功的理论，在天体运算中取得了很多成果，但是这个理论有个很大的阴影就是计算不准水星近日点的进动问题。而爱因斯坦就是希望有一种理论能够弥补万有引力的不足，而这就是爱因斯坦的广义相对论。地球和太阳相距甚远，他们之间的万有引力是如何传递的呢？万有引力的本质又是什么呢？爱因斯坦的广义相对论是这样回答的，引力就是时空的弯曲所产生的一种效应，引力场就是时空弯曲场。引力的强弱与时空的弯曲息息相关，在广义相对论中引力的本质就是时空的弯曲，而引力本身其实是不存在的。比如两个质量很大的物体接近时由于受万有引力会互相吸引、互相接近，这是牛顿的看法，爱因斯坦的相对论并不认为这两个物体之间存在着吸引力，它们之所以互相接近是因为两个质量很大的物体把时空压弯了，然后沿着弯曲的时空曲面自然的滚到一起的。

定义

在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是一种时空弯曲效应。这种弯曲因质量的存在而形成。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率就越大。当一个有质量的物体在时空当中运动时，曲率变化反应了该物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速物体能够改变曲率，并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。

当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变(strain)效应，观测者就会发现时空被扭曲了。当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生规律性的增加和减小，频率对应于引力波的频率。这种效应的强度与引力波源之间的距离成反比。绕转的双中子星系统的预测中，当它们合并时，是一个非常强的引力波源，因为它们彼此靠近绕转时产生了巨大的加速度。由于通常距离这些源非常远，所以地球上观测时的效应非常小，形变效应小于

。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。目前最为灵敏的探测是aLIGO(先进激光干涉引力波天文台)，它的探测精度可以达到

。更多的空间天文台，譬如欧洲航天局的eLISA计划、中国的中国科学院太极计划、中山大学的天琴计划等，目前正在筹划当中。

引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式，比如光学望远镜和射电望远镜，所观测到，所以引力波天文学将给有关宇宙运转的新认识。尤其，引力波更为有趣的是，它能够提供一种观测极早期宇宙的方式，而这在传统的天文学中是不可能做到的，因为在宇宙再合并之前，宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以，对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。

图1 引力波[物理概念]

图1为引力波谱。图中显示了不同引力波源所对应的频率范围、周期，以及所对应的探测方式。

通过研究引力波，科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情。原则上，引力波在各个频率上都有。不过非常低频的引力波是不可能探测到的，在非常高频的区域，也没有可靠的引力波源。霍金(Stephen Hawking)和以色列（Werner Israel）推测，可被探测到的引力波频率，应该在

到

之间。

引力波在不断地通过地球。然而，即使最强的引力波效应也是非常小的，并且这些源距离很远。比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所长的引力波，在穿过13亿光年之后到达地球，最为时空的涟漪，也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一，相当于将太阳系到最近恒星之间距离改变了一个头发丝的宽度。这种极其微小的变化，如果不借用异常精密的探测器，根本是探测不到的。

图2 引力波[物理概念]

图2为LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线，下面是和理论相比较之后的拟合结果。

探测历史

在过去的六十年里，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在而做出了不懈努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据—脉冲双星PSR1913+16。1974年，美国麻省大学的物理学家家泰勒（Joseph Taylor）教授和他的学生赫尔斯（Russell Hulse）利用美国的308米射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星，利用它精确的周期性射电脉冲信号，可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。

在之后的30年时间里，泰勒及其同行面对PSR1913+16做了持续观测，观测结果和广义相对论所预测的高度吻合：周期变化率为每年减少76.5微秒，半长轴每年缩短3.5米。根据广义相对论的预测，这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止，类似的双中子星系统已经发现了将近10个。但是此次发布会中的双黑洞系统却从来没被发现过，是首例。

在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯（Joseph Weber）。早在上个世纪50年代，他第一个充满远见地认识到，探测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年，韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终，韦伯选择了一根长2米，直径0.5米，重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器：当引力波到来时，会交错挤压和拉伸铝棒两端，当引力波频率和铝棒设计频率一致时，铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性，比如它的共振频率是确定的，虽然可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器，只能探测其对应频率的引力波信号，如果引力波信号的频率不一致，那该探测器将失效。此外，共振棒探测器还有一个严重的局限性：引力波会产生时空畸变，探测器做得越长，引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振棒探测器只有2米，强度为1E-21的引力波在这个长度上的应变量(2E-21米)实在太小，对上世纪五六十年代的物理学家来说，探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，在他之后，很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

在韦伯设计建造共振棒的同时，部分物理学家认识到了共振棒的局限性，然后就有了前面提到的有基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案。它是由麻省理工学院的韦斯（Rainer Weiss）以及马里布休斯实验室的佛瓦德（Robert Forward）在上世纪70年代建成的。到了70年代后期，这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号；其次，激光干涉仪的臂长可以做得很长，比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级，远远超过共振棒。

除过刚刚提到的aLIGO，还有众多其他引力波天文台。比如，位于意大利比萨附近，臂长为3千米的VIRGO；德国汉诺威臂长为600米的GEO；日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器都曾在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。所以之后这些探测器就进行了重大升级，两个高新LIGO（升级版的LIGO）探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测，而高新VIRGO（升级后的VIRGO）也将于2016年年底开始运行。日本的项目TAMA300也进行了全面升级，将臂长增加到了3公里，改名为叫KAGRA，预计2018年运行。

因为在地面上很容易受到干扰，物理学家们正在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形，同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项，目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行。作为先导项目，两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功，目前正在调试之中。中国的科研人员，除积极参与目前的国际合作之外，也在筹建自己的引力波探测项目。

2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年12月26日03:38:53（UTC），位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号。这是继LIGO2015年9月14日探测到首个引力波信号之后，人类探测到的第二个引力波信号。

2020年4月7日美国天文学家首次探测到由两颗独立的白矮星组成的双星系统，该系统名为J2322+0509，轨道周期短至1201秒，目前正产生引力波，是科学家确认的首个此类引力波源。这一最新发现有助于增进对此类双星系统和引力波源的理解。

中国引力波研究

从1916年爱因斯坦预测出引力波，到2015年LIGO获得直接观测证据，整整跨越了一百年。在这一过程中，中国科学家也在不断寻觅、追求。早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究，可惜因种种原因停滞了十几年，造成了人才断层。直到2008年，在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下，中科院空间引力波探测工作组成立，引力波的中国研究再启征程。

主要有三个大型引力波探测项目，一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士作为首席科学家的太极计划，它非常类似于欧洲eLISA计划。另外一个太空计划是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”，相比较太极，它将位于地球之上的10万公里轨道处，三个卫星的间距也是大约在10万公里之上。第三个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，阿里实验计划是在计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望远镜，从地面上聆听原初引力波的音符。这些项目现在均处于预研阶段，探测方式都是利用激光干涉。

宇宙本身就存在一种现成的探测工具—毫秒脉冲星，它们是大质量恒星发生超新星爆炸形成的高速旋转的致密天体。这些旋转极其稳定的天体是自然界中最精确的时钟。这些极其稳定的恒星是自然界中最精确的时钟，像灯塔一样每“滴答”一次就向地球扫过一组信号。引力波可以通过虽然非常细微，但还是能够察觉到的时间涨落而探测到。这就是脉冲星计时（Pulsar Timing）的方法。中国正在建设的500米口径望远镜，以及国际上正在建设的平方公里阵(SKA)射电望远镜，都将监测脉冲星，从而探测引力波的存在。

宇宙引力波源

在宇宙当中，什么样的天体才能够撼动产生可以探测到的引力波呢？

对于地面上的探测器，有以下几种可能的情形：

（1）旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。比如中子星或者黑洞的双星系统。

（2）快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量，它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候选体包括非对称的中子星之类的。

（3）随机的引力波背景。非常类似于通常熟知的宇宙背景辐射，这一类背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴涨时的遗迹。2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波，但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证，对于它的探测依旧在努力寻找之中。

（4）超新星或者伽马射线暴爆发。恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波，将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。

以上的天体都能够产生地面探测器所探测到的引力波信号，频率大约在几到几百赫兹。还有一类天体，也能够产生比较较强的引力波，只是产生的频率比较低而已，频率为0.01赫兹以下。

（5）超大质量黑洞。在星系的中心，知道会有一个超大质量黑洞的存在。星系在演化的过程当中，会彼此合并，所以在某些星系中间，会有两个黑洞。非常类似于LIGO所探测到的双恒星级黑洞，这两个双黑洞在绕转和最终的合并的之时，也会产生很强的引力波。这种引力波可以利用空间探测器来探测。

探测仪器

2020年7月，伦敦大学学院（UCL）领导的一项新研究表明，可以用微小的钻石晶体制作一种非常灵敏的小型重力探测器，用它能够测量出引力波。这种基于量子技术的探测仪，仅为目前使用的引力波探测器的1/4000，可以探测到中频引力波。

天文意义

在过去的一个世纪，由于新型观测宇宙方法的使用，天文学已经发生了改革性的变化。天文观测最初使用可见光。400多年前，伽利略最早使用望远镜进行观测。然而，可见光仅仅是电磁波谱上的一小部分，在遥远的宇宙中，并非所有的天体会在这个特别的波段产生很强的辐射，比如，更有用的信息或许可以在射电波段得到。利用射电望远镜，天文学家们已经发现了脉冲星，类星体以及其他的一些极端天体现象，将对一些物理的认识推向了极限。利用伽马射线，X射线，紫外，和红外观测，也取得了类似的进展，让天文学带来了新的认识。每一个电磁波谱的打开，都会带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。

引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一，不需要任何的物质存在于引力波源周围，这时就不会有电磁辐射产生。第二，引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡，引力波却能够不受阻碍的穿过。这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息。

社会影响

2017年12月，“汉语盘点2017”活动年度候选字词中，“引力波”成功入选五大候选国际词。

参考资料

[1]

人类再次直接探测到引力波，这意味着什么？ · 腾讯[引用日期2016-06-16]

[2]

首个双白矮星引力波源证实[引用日期2020-04-08]

[3]

引力波探测仪缩小到目前仪器的1/4000 · 新浪[引用日期2020-07-03]

[4]

引力波 · 知乎[引用日期2021-11-22]

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