爱因斯坦的引力波，我们是如何发现它的？如何探测这些引力波？

aquila00

谁提出的引力波
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爱因斯坦在1916年发表的一篇论文中做出了一个决定，彻底改变了我们对引力的理解。近100年来，爱因斯坦理论的一个关键预测一直没有被直接发现。
; r1 Y( F! H. W3 T5 O  d, v在1916年6月预言引力波的论文中，计算了引力波引起的能量损失后，爱因斯坦写道：“由于电子在原子内部的运动，原子将不仅辐射电磁能，还要辐射引力能，即使很小。
1 {. j% l5 X* N5 V6 f引力波物理学是理解宇宙多个方面的关键。其中，引力波实验有可能:
" i0 e$ ~4 u, X6 y1 o爱因斯坦

• 理解爱因斯坦理论在宇宙区域的正确性，这是其他方法无法观察到的
  
• 直接探测外来物体的物理特性，如黑洞，中子星，白矮星，超新星，伽马射线爆发，宇宙弦等等
  
• 提供新的和独立的宇宙学测试，包括宇宙膨胀率。
  

引力波科学的科学回归无疑是巨大的（尽管应该提到所需的投资也很高，个别实验耗资数亿美元）。要了解这种引力波科学，我们必须首先了解引力波是如何产生和探测到的。为此，我们需要理解爱因斯坦的引力理论 - 广义相对论。
: i5 l. o8 q' s' x1 I  ?爱因斯坦的相对论
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: f5 r. m0 I$ I: i有些与直觉相反，广义相对论断言引力不是一种力。相反，它是物体在曲面几何中任意两点之间运动的最短距离的结果。这不是空间的三维几何，而是四维时空的几何(即一个时间加三个空间维度)。
有一个很好比喻，保龄球和蹦床上的弹珠。想象一下把保龄球放在蹦床的表面。它的作用是使蹦床在球周围的一个区域弯曲，类似于太阳等大型物体周围时空的弯曲。
大型物体可以弯曲周围的时空
( c. P: i! B6 n% B如果我们忽略摩擦力，我们可以想象在蹦床表面滚动一个弹珠，使它绕着保龄球旋转。两个球之间没有作用力——保龄球使蹦床的表面弯曲，而弹珠只是沿着这个曲面的测地线滚动。
类似地，在太阳和地球之间没有“力”起作用——太阳弯曲时空，地球沿着这个弯曲时空的测地线运行。
6 n9 @1 x, m  V8 K; E什么是引力波？
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当我们的小弹珠在蹦床表面滚动时，就像鸭子在水中游动一样，蹦床织物中产生了非常小的涟漪，并从蹦床上移开。
类似地，当任何质量在空间中运动时，时空结构中都会产生涟漪，以光速远离运动物体。这些波纹就是引力波。
; J# f) N" _2 j7 _6 c5 o5 G3 N1 i1 F引力波
! k% M4 _" D* U: Q6 R8 I& d1 L我们如何直接探测这些波?

2 o8 E( s& ?" O$ ~5 c  D对引力波的探测是间接的，因为物理学家只是通过排除其他选项来推断引力波的存在。自20世纪60年代以来，物理学家们一直试图建造引力波探测器，直接探测引力波的存在。
要了解直接探测的方法，我们必须首先了解引力波经过时对粒子的影响。
考虑将一圈粒子放置在一个完美的圆圈中。引力波通过将使这些粒子变形为椭圆形，振荡回一个圆形，然后进入另一个垂直于第一个椭圆形的椭圆形。当引力波穿过我们的测试粒子环时，这种模式将继续。
6 D" ]: N7 U( y0 m受引力波影响的一圈试验粒子。
这种测试质量的运动提出了一种明显的检测方法——迈克尔逊干涉法。干涉测量的基本原理是将一束激光分成两束，每束以直角射向另一束。每一束光都经过一定的距离，击中一面镜子，回到它们分裂的原始点，重新组合，再次形成一束光。
+ D: ~: ]4 E1 C如果不存在引力波，则每个光束将行进相同的距离，并且组合光束将具有由光的重新组合引起的特定干涉图案。但是当引力波穿过系统时，每个臂的相对长度将来回振荡，并且所产生的干涉图案将显示该运动。听起来很容易......
5 z2 T! M9 s, U( b% H. s迈克尔逊干涉仪用于探测引力波。当波通过时，干涉仪的每个臂改变长度不同的量
$ m1 G8 H3 G4 {( j探测引力波的全部困难在于引力波的大小。
5 {, _, w4 S9 A0 ~$ F我们的蹦床类比也是有用的。一个巨大的保龄球沿着蹦床表面滚动，会产生比我们原来弹珠更大的波纹。同样，与超大质量黑洞相比，地球在太空中的运动产生的涟漪相对较小。
因此，超新星或两个黑洞的合并等奇异事件为大引力波的发射提供了最佳的候选者。所谓“大”引力波，对我们探测还是比较小引力波!最强的波改变粒子位置的幅度不超过1000,000,000,000,000,000,000分之一。
4 x6 `  P7 ?1 j9 I  S$ k这就是测量这些波的困难之处。为了成功地探测到宇宙中一些最大的引力波，我们需要测量距离的变化，其数量级为1000,000,000,000,000,000,000,000分之一。这个数字解释了为什么用了近100年的时间才探测到引力波!
" Y( a/ i/ q" m# l2 |全球探测工作

一个由迈克尔逊干涉仪组成的全球网络已经建立起来，可以直接探测到这些微小的引力波。激光干涉仪引力波观测站(LIGO)位于美国，由三个探测器组成。在意大利比萨附近有室女座探测器，在德国汉诺威附近有GEO600探测器。
2016年，中科院启动了战略性先导科技专项（B类）“引力波的多波段测量”，其中包括了空间引力波计划。空间“太极计划”也相继走进大众视野，计划采用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术，瞄准中低频段引力波进行探测和研究，我们国家对引力波的探测还有好长的路要走“加油祖国”
' {. q1 ]  o: r7 v4 o+ j( [LIGO引力波探测器在美国汉福德。
“太极计划”正在实施背景型号地面研究、双星试验性及发射太极三星的三步走战略。“预计在2020年底完成第一步走，2021年至2025年间以‘太极探测星’项目完成关键技术空间验证，2025年至2033年开展第三步走，实现三星探测计划。”
* D/ Q. n( d; l( ^7 u# V4 w目前，“太极计划”已初步掌握了超稳干涉仪、高精度相位计、高精度角位移敏感器、低噪探测器和超稳望远镜等关键“当前，在学术与技术竞争严酷的环境中，中国空间引力波探测计划均为预研性计划，应尽快从国家层面整合实力、协调各方的优势力量联合攻关。”核心技术及制作。“中国科技界有决心在引力波的空间检验方面作出重大贡献。”
. w; s0 G% ?# {) M' ~2分钟解释：什么是引力波？为什么对引力波如此的难以捉摸？
; W- C7 J& |+ C困扰学术界300年的难题：三体问题被米诺维奇解决，才有引力弹弓

来源：https://www.toutiao.com/a6703064183526654472/
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