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老几:谈谈引力波的测量
送交者: 老几 2016年02月20日17:10:31 于 [教育学术] 发送悄悄话

谈谈引力波的测量

老几

引力波的实测

2016211日, LIGO宣布人类历史上首个引力波直接探测结果。这束引力波的信号于2015914951分(UTC)许被位于利文斯顿和汉福德的两架LIGO激光干涉仪先后捕捉到,之间相差7毫秒。

根据探测信号,这束引力波来自位于南天的距地球约13亿光年的双黑洞。两个黑洞的质量分别约为太阳质量的2936倍,它们以类似于太极图所演示的方式互相旋近融合为质量约为太阳62倍的黑洞。在这短短的一眨眼间,有大约3倍于太阳质量的物质通过爱因斯坦的质能方程E=mc^2转化为了能量,并以引力波的形式释出,其峰值功率达到了全宇宙的所有可见光功率的50倍。这次双黑洞融合约计发生在6亿至18亿年前。

引力测量波.jpg

上图:两个探测器所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个LIGO探测器中观测到的由该事件产生的引力波“应变”如何随时间(秒)和频率(赫兹)变化。(LSC/Virgo collaboration)

从上图测量结果,可以看到,此次引力波发生的时间不到2毫秒,其引力波频率大约在30赫兹到250赫兹之间,非常类似于大型煤粉锅炉红外火焰探测所使用的有效频率范围。

难测的引力波

任何测量,都需要借助于物质的相互作用才得以实现。人类能够肯定各自的存在,是因为人们之间的互相作用。我们不能够肯定鬼的存在,是因为“鬼”跟我们“阴阳相隔”,不发生作用。我们测不到“鬼”,能测到“人”比如人家打我一拳,通过拳面和我身体的相互作用,我就能够感受到对方用了多大的力。

引力波之所以难测,根本原因是引力波像“鬼”一样,与物质相互作用力非常小。而这就是为什么从爱因斯坦广义相对论1915年提出并预言引力波的存在以后,地球上无数顶尖的头脑都试图测量引力波,到现在证实用了100年之久的一个重要原因。

而正是由于引力波物质相互作用力非常小的这个特性,使它本身被物质吸收而导致的衰减最小,人类才有可能通过它知道亿万年前亿万光年之远所发生的事件。

有专家举这样一个例子:一个地面探测器可以感测到的微弱辐射暴,其频率为1000赫兹,到达地球时的引力强度为10-22的引力波,则其能量通量相当于满月时地球从月球接收到的电磁辐射能量通量的两倍,大约有1ms之久,这引力波源是夜间天空最亮的星体。这表明引力波实际可以携带很大的能量,但与物质相互作用力非常小,这才是引力波难以被探测的根本原因。

上面这种说法,混淆了两种根本不同的物理量,因为探测到的引力波的量是时空变化的量,而非引力波辐射的能量。就如同锅炉红外火焰探测所使测的是火焰能量变化的量,而非火焰能量本身。又如同测某人坐火车在车厢里跳跃,跟火车开多快,两者之间并无必然联系一样的道理。

引力波的证实,无疑是当代科学最为重要的发现。而引力波在哲学上意义,不亚于其在科学上的意义。

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