引力波是什麼-公式計算&發現意義及偵測方法

引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運動的質量會產生引力波。以下是本站小編整理的引力波概述、公式計算、發現意義及偵測方法，歡迎閲讀參考!

引力波是什麼-公式計算&發現意義及偵測方法

引力波是什麼

在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在於牛頓的經典引力理論當中，因為牛頓的經典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。

各種各樣的引力波探測器正在建造或者運行當中，比如 advanced LIGO(aLIGO)從2015年9月份開始運行觀測。 可能的引力波探測源包括緻密雙星系統(白矮星，中子星和黑洞)。

在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣佈他們已經利用高級LIGO探測器，已經首次探測到了來自於雙黑洞合併的引力波信號。 2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣佈：2015年12月26日03:38:53 (UTC)，位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號;這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之後，人類探測到的第二個引力波信號。

內容簡介

引力波是愛因斯坦在廣義相對論中提出的，即物體加速運動時給宇宙時空帶來的擾動。通俗地説，可以把它想象成水面上物體運動時產生的水波。但是，只有非常大的天體才會發出較容易探測的引力波，如超新星爆發或兩個黑洞相撞時，而這種情況非常罕見。因此，相對論提出一百多年來，其“水星進動”和“光線偏轉”等重要預言被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到。

引力波有宇宙初生時的“啼哭”之稱，它自宇宙誕生後便一直四散傳播，現在可探測到的餘響能量非常小，被稱為“隨機引力波背景”。在“激光干涉引力波觀測台”中，科學家便是努力在長達4公里的激光光線中，尋找“隨機引力波背景”帶來的比一個原子核還小的擾動。

公式計算

由E=mc^2、E=nh(J)、F=am、λν=c、q=h(J)*ν得：

F=aE/c^2=nh(J)a/c^2=nh(J)/(t*c)=E/c*t=nh(J)*ν/c=nh(J)/λ=E/λ。a=c^2/λ=ν*c。

由a=ν*c，將a替換為重力加速度g，再由g=ν*c，就可以計算出地球重力場引力波的頻率。

即ν=g/c，地球表面重力場加速度g=9.80米/秒^2，光速c=299792458m/s，

則ν=g/c=9.80/299792458=3.2*10^-8(1/s)。

而對應的引力波的波長則是λ=c/ν=299792458/3.2*10^-8=9.3685*10^15(m)。

愛因斯坦雖然在在其廣義相對論中預言了引力波的存在，但愛因斯坦在廣義相對論中提出的卻是物體加速運動時給宇宙時空帶來的擾動。

而拓變論發現新的事實，卻是引力波是引力場本身的屬性。

事實上引力波無處不在，在整個宇宙範圍內到處都有到處都是，只是隨着引力場強度(正比於g)不同而不同。

引力波也不是什麼過去遺留下來的，而是引力場場強的另一種表現。

引力波的波長是如此之長，以及引力波的頻率是如此之低，正是引力場強度之弱真實證明。同時我們也可以指出為什麼至今還沒有探測到引力波的存在，是科學家把把其性質搞錯了，主攻方向也搞顛倒了，其波長不是如何的短，而是如此的長，因此他們才探測不到。其實引力波是可以隨時隨地就可以檢測到的.，對應着此時此地的引力場強度或重力加速度，就可以探測到相應的引力波的波長和頻率。

根據地球表面引力波的如此情況作為參照對比，就可以基本知道電磁場、強作用場和弱作用場的大致頻率和波長的數量級了。

目前人們已知的四種基本作用力的強度分別是，強力其相對強度定義為1，其次就是電磁力為10^-2，弱力為10^-13，引力為10^-38。

這樣我們就可以依據地球表面的重力場強度的波長λ=9.3685*10^15(m)或頻率ν=3.2*10^-8(1/s)，來大致確定其他三種基本作用力場強度的波長與頻率了。

地球表面的重力場強度的波長λ=9.3685*10^15(m)與頻率ν=3.2*10^-8(1/s)。

那麼強力場強度的波長λ=10^-22(m)與頻率ν=10^30(1/s)，電磁力場強度的波長λ=10^-20(m)與頻率ν=10^28(1/s)，弱力場強度的波長λ=10^-9(m)與頻率ν=10^17(1/s)。

由於宇宙空間場體的平均引力場強度要比地球表面的引力場強度低得多得多，所以這樣計算出來的數據就要高的多，只是相對的比較一下而已。

主要性質

引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運動的質量會產生引力波。

引力波的主要性質是：它是橫波，在遠源處為平面波;有兩個獨立的偏振態;攜帶能量;在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量，應可被探測到。但引力波的強度很弱，而且，物質對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難。曾有人宣稱在實驗室裏探測到了引力波，但未得到公認。天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在。

例如，雙星體系公轉、中子星自轉、超新星爆發，及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程，都能輻射較強的引力波。我們所預期在地球上可觀測到的最強引力波會來自很遠且古老的事件，在這事件中大量的能量發生劇烈移動(例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞)。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數量級應該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。

發現意義

引力波的發現驗證了廣義相對論最後一個未被實驗直接檢測的預言，但引力波帶來的認知革命絕不止步於此。引力波為我們打開了除電磁輻射(光學、紅外、射電、X射線等)、粒子(中微子、宇宙線)之外，一個全新的窗口——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中，我們不再是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑藉——我們感受的，是時空本身的顫動!

LIGO的直接探測到的第一例引力波事件(據説)來自兩個恆星質量黑洞的併合。兩個黑洞併合前，會在與彼此的繞轉中攪動周圍的時空，向四周散發出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統的引力勢能，讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最終併合之後，融合成的大黑洞會經過幾下“搖擺”，才會融成完美的球形。

偵測方法

雖然引力輻射並未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著的“間接”證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星(或稱波霎)雙星系統PSR1913 16的觀測。這系統被認為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預期的值。對於這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種系統的重力輻射給出了準確的説明才得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同引力波獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

1959年，美國馬里蘭大學教授韋伯發表了證實引力波存在的消息，這引起了世界物理學界一陣狂熱的激動。事情是這樣的，韋伯等人制造了6台引力波檢驗器，分別放在不同地點進行長期的檢波記載。結果發現在各台檢波器上都記錄到一種相同的、不規則的“擾動”，並證明它並不是由聲學振動、地震、電磁干擾或宇宙線干擾等引起的，因此，他們認為“不能排除這就是引力波”。之後，許多國家的科學家採用各種方法企圖證實宇宙深處的同樣“來客”，但終未得到肯定的結果，於是激動之餘，人們便只能歎息罷了。

射電天文學的蓬勃發展為物理學家們新的探測途徑。射電望遠鏡的探測本領比光學望遠鏡強得多，美國天文物理學家泰勒等人在1974年，靠着射電望遠鏡發現了一個雙星體系——脈衝射電源(PSR1913 16)。按照廣義相對論計算，雙星互相繞轉發出引力輻射，它們的軌道週期就會因此而變短，(PSR1913 16)的變化率為-2.6*10^ -12。而在1980年，他們也是採用精密的射電儀器，由實驗得到觀察值為-(3.2±0.01×10 ^-12,與理論計算值在誤差範圍內正好符合。這可以説是引力波的第一個定量證據。上述消息傳開，引起物理學界的極大震動。科學家們信心倍增，為歡迎引力輻射這位宇宙“嬌客”將開展更為廣泛的探索研究。因為對引力波的探測不僅可以進一步驗證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景，茫茫宇宙，只要有物質，到處有引力輻射。

測量工具

LIGO和GEO 600是用來測量引力波即時空結構中的波動的工具。引力波非常難以測量，因為當他們到達地球的時候已經變得非常弱了。

LIGO和GEO 600通過測量兩條激光束相遇的時候所形成的干涉圖樣的變化來探測引力波。這些圖樣依賴於激光束的傳播距離，當引力波穿過時激光束的傳播距離會相應變化。

這種稱之為激光干涉計的探測器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。因為探測器需要尋找的是很微弱的信號，所以需要LIGO和GEO的尺寸相當大。