引力波是怎样测量出来的

引力波是怎样测量出来的

利用干涉的原理，一个为参考臂，不受外界影响，另一个为测量臂，测量引力波引起的相位差变化，进而引起干涉条纹的变化。这变化量相当之小，需要用到稳定、放大、滤波等处理。

引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式，是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。引力波与流体力学中的重力波很相似，当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置，在重力和

引力的传播速度是光速，那么科学家是怎样测量引力的传播速度的？

现在越来越多的人开始好奇这种事情的出现了。

引力的速度和光速相同，由于引力太弱了,所以在地球上做引力测试很难观测。现在的方法是通过对宇宙中的双星(两个大小相近围着共同质心旋转的天体)测量得到的。如果引力和光速不同,我们观测到的(光)和双星旋转的周期就应该不同步。这就像闪电和雷声不同时到达一样。但是观测的结果是同步的,所以引力和光速相同。

正是因为引力波以光速传递，所以在天文尺度下，宇宙星团的突然变化，会使得距它很远距离的星系，不是立刻和它有引力作用。这个时候这个宇宙星团就好像失去了一个拉力，会加快坍缩！现在观测的数据是宇宙在膨胀，但事实上正是因为有引力作用，才使得膨胀有“缓解。”如果星系之间没有这种引力作用，那么宇宙的膨胀速度，一定远远大于现在的观测数据。

但是如果现在太阳上突然出现一个人，那么根据光从太阳到达地球需要8分钟的时间，就说明你和太阳上突然出现的这个人的引力作用接触也必须用8分钟。但他质量小，离你又远，所以根据引力定理公式可以知道，你根本感觉不到他对你的引力作用。你们两个人都对自己所处星球的引力作用感觉明显。

引力波是什么？

引力波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。但是，只有非常大的天体才会发出较容易探测的引力波，如超新星爆发或两个黑洞相撞时，而这种情况非常罕见。因此，相对论提出一百多年来，其“水星进动”和“光线偏转”等重要预言被一一证实，而引力波却始终未被直接探测到。

概况

引力波在广义相对论里，是时空本身的涟漪，是由带质量物体的加速度运动所生成。由于广义相对论限制了引力相互作用的传播速度为光速，因此会产生引力波的现象。相反地说，牛顿重力理论中的相互作用是以无限的速度传播，所以在这一理论下并不存在引力波。

在1916年 ，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。1974年，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯－泰勒脉冲双星。这双星系统在互相公转时，由于不断发射引力波而失去能量，因此逐渐相互靠近，这现象为引力波的存在提供了首个间接证据。2016年2月11日，LIGO科学团队与处女座干涉仪团队共同宣布人类对于引力波的首个直接探测结果，其所探测到的引力波是源自于双黑洞并合。2017年，莱纳·魏斯、巴里·巴利许与基普·索恩因成功探测到引力波，而获得诺贝尔物理学奖。2017年10月16日，全球数十家科学机构联合宣布，从约1.3亿光年外，科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波，及其光学对应体。

主要性质

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，加速运动的质量会产生引力波。

引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。

例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。

测量工具

LIGO和GEO 600是用来测量引力波即时空结构中的波动的工具。引力波非常难以测量，因为当他们到达地球的时候已经变得非常弱了。

LIGO和GEO 600通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。

这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度，是与激光传播的距离成比例的。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号，所以需要LIGO和GEO的尺寸相当大。

发现意义

引力波的发现验证了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言，但引力波带来的认知革命绝不止步于此。引力波为我们打开了除电磁辐射（光学、红外、射电、X射线等）、粒子（中微子、宇宙线）之外，一个全新的窗口——我们从未能够以这样的方式观察宇宙。在引力波这个新窗口中，我们不再是以电磁场、物质粒子作为观察宇宙的凭借——我们感受的，是时空本身的颤动！

LIGO的直接探测到的第一例引力波事件（据说）来自两个恒星质量黑洞的并合。两个黑洞并合前，会在与彼此的绕转中搅动周围的时空，向四周散发出涟漪般的引力波。这些引力波带走了一部分双黑洞系统的引力势能，让两个黑洞越绕越近、越近越快。而两个黑洞最终并合之后，融合成的大黑洞会经过几下“摇摆”，才会融成完美的球形。

“引力波”连“测量工具”都能拉伸，为何还测量引力波？

引力波。我们是通过让太阳消失，问地球是马上感觉引力消失，还是延时感觉到消失。通过广义相对论的时空弯曲，我们知道地球是延时感觉引力消失，因为引力压根不是一种力，而是时空弯曲的几何效果，所以引力的传递就是“时空弯曲”的传递，这是需要时间，传递速度就是光速c，而传输的过程就恰恰可以理解为：引力波传递。（其实只要有质量的物体具备加速度就能产生引力波）

引力波经过一个物体时，物体的长度会变化，可能变长也可能变短，也就是长度出现“震荡”，是否可以用“一把尺子”去测量下物体长度是否被引力波震荡了？

哈哈，当然不能用尺子去测量，因为引力波速度=光速，瞬间就过去了，你压根来不及测，更何况引力波是把“弯曲的时空”本身再传递，传递的物质就是“时空”本身，引力波经过物体一瞬间，你的尺子如果去测，尺子也会同比例变化的，所以你测量出来的结果依然显示物体长度没任何变化。

既然引力波会让测量工具也跟着同步变化，我们是否就无法测量了？NO，虽然引力波会把测量工具和被测量物体一起同比例变化，造成我们感受不到这种变化。没关系，因为我们有一个东西不因参考系变化而变化，这个东西一直都是恒定不变的，大家应该想到答案了吧，那就是光速。

光速不因参考系变化而变化，真空中速度永远是c，所以我们可以利用光速不变的特点，来测量引力波是否经过。具体方法很复杂，但是我可以大致讲解下过程，首先A地发射一束光到B，B将一束光分成2束光（用一个分光镜即可），让一束光到达4公里外的C1地，让另一束光达到4公里外的C2地，这里B到C1路线和B到C2路线相互垂直，保证引力波无论从哪个方向来都能测量到，等第一束光达到C1地马上用反光镜将光反弹回B，当然第二束光达到C2也马上反弹回B，然后B再把两束光进行波的叠加，看看发生啥现象。实验图如下图所示。

假设A一直不停向外发出光，如果引力波没经过，那么光从B分到C1和C2，然后两束光反射回来后，我们把两束光叠加对比就会发现两束光会“干涉相消”，也就是第一束光的波谷恰好对应第二束光的波峰，造成两束光合并成一束光后光消失了。

如果引力波经过，由于B到C1和B到C2两条路线相互垂直，引力波对这两条路线的拉伸必然是不同的，也许第一条路拉伸的更凶，第二条路拉伸的比较微弱，那么当两束光再次回到B进行叠加会发现，两束光不能形成“干涉相消”了，证明引力波刚刚经过了。

有人会问，为啥非要让光去经过两条路线然后反射回来，能不能用电子来做实验？其实诚如我上一篇文章所说，光在真空中速度永远是c，光本身不会因为时空变化而改变速度，所以一旦两条路线发生了路程的变化，根据t=s/v，由于v不变（因为v是光速），s这个路程只要变了点，t就会有变化，就会造成两束光无法“干涉相消”。如果用电子或者其他物品来做实验，由于引力波本身会把时空震荡起来让电子速度发生变化，这样一来就算s变化了，因为v也会变化，所以得出的t就算变化了，也不能说明到底是s变化造成，还是v变化造成。所以如果用电子来做实验，效果就和用一把尺子去测量引力波是一种效果，引力波把尺子都拉伸，等效于引力波把“测量工具”和“被测量物体”一起拉伸，你还如何测量拉伸效果？

引力波探测器到底能测量什么？

让我们深入了解时空和黑洞合并的复杂性。

引力波探测器实际记录了什么？起初似乎是一个荒谬的问题。LIGO和后续探测器在工程和科学发现方面都非常出色。

对于我们这些跳过高中物理的人来说，让我们从头开始认识：什么是 引力波？

Swinburne 理工大学的天体物理学家 Adam Deller 说： “ 它们真的有点像时空结构中的涟漪。 ”

我们目前对重力如何工作的理解是基于爱因斯坦的《相对论》 —— 该理论早在 2015 年就已经诞生 100 年了。该理论是科学家目前描述质量、时空和重力之间关系的最佳方式。

根据爱因斯坦的理论，大质量物体导致时空弯曲，从而影响或大或小质量的物体如何吸引对方。

“ 人们经常将其总结为 ’ 质量告诉时空如何弯曲，弯曲时空告诉质量如何移动 ’ 。 ”

要将时空想象成一张橡胶板床，上面有一个巨大的物体 —— 比如一个沉重的球。球会压低板床，使其弯曲或扭曲。然后，如果你试图将另一个球滚过床板，它不会直线移动，而是沿着第一个球的质量创建的曲线移动。这就是重力。

引力波是时空和质量之间的这种关系的自然结果。

“ 如果你开始四处移动，那么弯曲的时空也开始四处移动，你会得到这种小晃动，即引力波。 ”

所有有质量和加速的东西都会产生引力波，但除非质量和加速度很大，否则产生的波太小，无法检测。

对物理学家来说，幸运的是，空间里充满了非常巨大的物体，这些物体确实经历了巨大的加速 —— 想想超新星或黑洞合并，即两个在双星系统中相互绕行运行的黑洞最终碰撞并合并形成一个黑洞。

“ 合并过程中的两个黑洞失去了大量作为引力波辐射的能量。 ”

事件地平线可以被认为是黑洞的 “ 边缘 ”—— 这是你需要以光速移动才能离开黑洞的引力范围。

在黑洞的中心，质量被塞进一个密度无限小的点 —— 但由于任何穿过事件视界的东西都无法逃离黑洞，我们有点不确定它是什么样子。

那么，从黑洞合并中检测到的引力波是来自事件视界相遇时，还是黑洞中心的质量合并时？事实证明，两者兼而有之。

“ 这个问题的答案是，它一直在发生。 ”

“ 当两个黑洞相互环绕时，有点像死亡螺旋，引力波一直在发射。 ”

Swinburne 理工大学教授兼ARC 引力波发现卓越中心（ OzGrav ）主任 Matthew Bailes 解释说，当事件地平线接触时，引力波的大小会达到峰值，然后在被称为 “ 环落 ” 的过程中衰减。

引力波探测器是如何测量这种情况的发生呢？

检测到达地球的引力波的关键技术称为 干涉测量 —— 这就是激光干涉仪重力波天文台（ LIGO ）等地方的起作用。

简而言之，激光束被劈成两半，沿着两个直角的长隧道照射。在隧道的尽头，光线从镜子上反射出来，反射回光的出处，在那里两半被重新组合。

引力波导致时空拉伸和压缩一点，略微移动镜子，导致一半激光束看起来稍微长一点，另一半看起来稍微短一点。如果没有引力波，激光器两半的路径将看起来相同。

因为引力波来自如此遥远的地方，到达地球时非常小，干涉仪必须建在真空中，这样就不会有其他干扰因子。

所以我们现在知道了，这就是引力波探测器正在记录的。

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