都知道引力波存在,但为什么那么难探测?探测引力波有什么作用?

说起引力波,就必得不提到爱因斯坦。爱因斯坦作为划时代的科学巨匠,很多人对他都很熟知。毕竟在上小学的时候,教室外走廊里挂着的一排照片,一个蓬松头发小胡子胡子不修边幅的形象给人很深的印象,他就是爱因斯坦。靠一己之力提出二十世纪节物理学两大支柱之一的相对论,同时对于另外一大支柱量子力学也贡献颇多,尤其是早期量子力学的发展爱因斯坦也算是奠基人之一了。

爱因斯坦的成就很多,当然最被人熟知的还是相对论,在牛顿时代绝对时空观深入人心,但是爱因斯坦的横空出世不仅仅让时间和空间统一成为一个整体,并且时间和空间也不再绝对。

牛顿发现万有引力定律,认为苹果瓜熟蒂落掉到地面上的力,和夜空上悬挂的明月是同一种力,但是牛顿并没有从本质上来解释引力,牛顿认为引力是没有速度的,或者说是超距作用的,可以跨越距离不消耗时间的起作用。从牛顿的万有引力公式出发,也可以看到只有一个物体突然消失,那么所产生的引力也就瞬间消失了。

但是爱因斯坦的广义相对论却不这么认为,爱因斯坦认为引力的产生和消失都是有速度的,并且速度等于光速,从而也预言了引力波的存在。

那么到底什么是引力波?

引力波自然是跟引力有关联的,爱因斯坦广义相对论认为引力的本质就是时空弯曲,有质量的物体导致时空发生弯曲,而物体在弯曲时空中的运动就是万有引力的外在表现。

当质量很大的物体快速运动,就会引发时空弯曲,同时出现波前,它就像是波浪一样在宇宙中传播,几乎不会受到任何物质的干扰,传播的过程中也不会变形。引力波是爱因斯坦100多年前预言的,2016年的时候来自美国的科学家宣称探测到了引力波的存在,他们也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

       引力波为什么难以被探测到?

在四大基本作用力里引力是最微弱的力,它的力程是无限的,与之相关的引力波可以不受干扰的传播,这也就意味着引力波的探测难度非常大,换一句话来讲因为它极其微弱,在传播的过程中很难受到其它物质的影响,那么反过来讲它对传播路径上的物质作用效果也并不明显。下边图片中就是LIGO激光干涉引力波天文台,就是它探测出了来自于宇宙深处的引力波。

引力波的作用效果非常微弱,LIGO的测量精度非常大,达到了(10^-19)米,像科学家所描述的那样,引力波让LIGO产生了千分之一质子尺寸大小的变化,如果仪器精度在低一点可能就和引力波失之交臂了。

引力波在宇宙中广泛存在,但它们的源头都距离地球非常遥远,因为引力波的产生多是因为大质量天体高速运动,一般如中子星或者黑洞相互绕转。在地球或者说太阳系附近这类天体很少见几乎没有,因此很多地球上接收到的引力波都来自于遥远的地方,虽然它们的传播几乎不受影响,但如果距离过远还是有一定削弱的。

       探测引力波有什么作用?

引力波虽然在100多年前爱因斯坦就预言出来了,但一直以来都没有被观测到,直到五六年前引力波才真正地被观测记录,也是从那个时候开始引力波相关领域才真正开始发展。

在科幻巨作《三体》中就曾提到过引力波,在小说中引力波被当作了信息传递的工具,因为引力波具有低衰减特性,正常来讲它可以一直传播至宇宙的尽头,可以一直都不消散,宇宙中的能量物质几乎都不会对引力波造成干扰,这就是引力波和电磁波相比的优势所在。

有科学家认为在以往人类研究宇宙依赖的主要是电磁波,那么对于引力波的研究探测发展到一定程度,我们再通过引力波来认识这个宇宙,或许会实现很多从0到1的重大突破。

       说在最后

各个国家都在争先恐后的探测研究引力波,例如德国成立的阿尔伯特爱因斯坦研究所(AEI),已经成为世界最大的引力波研究机构,意大利和法国联合组建的欧洲引力波天文台(EGO),当然还有美国的LIGO。

我国在这方面是有差距的,当然有差距才会有动力,我国正在进行的天琴计划,最终目的就是在地球10万公里高的轨道上部署三颗卫星,它们将构成边长17万公里的等边三角形,也就是空间引力波天文台“天琴”,届时引力波空间探测将正式开启。

文/科学黑洞,图片来源网络侵删。