引力波是什麼?引力波的發現有什麼用途

不久前美國的科學家用實驗證明了引力波的存在,而近日國內在幾年前就有人提出了引力波的相關理論,但是卻被人嘲諷最後擱置並受到關注,那麼引力波究竟是什麼?它的發現對於人類以後的文明科技進步有什麼用途。

引力波是什麼?引力波的發現有什麼用途

什麼是引力波

引力波也稱重力波,引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時會發出電磁輻射,同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射,這是廣義相對論的一項重要預言。

如果引力波被首次直接探測到的訊息能夠得到證實,那麼這些都將顯得不再那麼重要,因為我們將會因此受益良多:我們將會再次確認愛因斯坦是對的,引力輻射是真實存在的,並且黑洞的合併過程的確會產生這樣的引力輻射,而更重要的是,這樣的引力輻射訊號是可以被 從地球上探測到的。這將是一個全新的天文學領域,一個不需要望遠鏡的新的天文學領域,它將引領我們開啟理解黑洞、中子星和其他難以採用傳統方法進行觀測的天體型別的全新視野。

引力全稱萬有引力,又稱重力相互作用,它是指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢,簡單說就是物體之間相互吸引的作用力。它是自然界的四大基本相互作用力之一,也是自然界中最普遍存在的力,可以說是無處不在。

中國科學技術大學物理學院教授蔡一夫解釋說,在經典力學中,萬有引力被認為是帶有質量的物體之間所存在的相互作用。然而,在愛因斯坦的廣義相對論中,萬有引力是由於存在質量對時空的彎曲所造成的現象。“廣義相對論認為,物質的質量會使得時空彎曲。比如說有個人在一個沙發上坐下時,原本平整的沙發表面就立刻會向下凹陷,出現一個坑,而之前放在沙發周圍的物體就有向坑中間滑落的趨勢,於是就產生了萬有引力。”

“在宇宙空間也是一樣,比如把太陽、地球、恆星、黑洞等大質量的天體放在時空中,時空就會形成‘凹陷彎曲’,萬有引力也就產生了。”美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌說。

由此可見,在愛因斯坦廣義相對論的視野裡,引力等價於彎曲的時空。而引力波就是在彎曲的時空這個大背景下,當發生有質量的物體加速運動導致的擾動時,由此產生的波動如波紋一樣向外傳播的現象。“如果把引力比作大海,那麼引力波就是大海中波浪的激盪。”蔡一夫說。

蔡一夫拿蹦床舉例進一步解釋說,“如果一個運動員站在蹦床上,他站著的那個位置就會形成一個凹陷,也就是我們所說的彎曲。如果這個運動員在那裡一動不動的話,那個彎曲就像被扳彎的鋼尺一直緊繃在那裡。這種緊繃其實是在儲存能量。如果他稍微動一動,跳一下,這個蹦床就會把他彈起來。為什麼會被彈起來呢?就是因為之前儲存的能量釋放了。這個釋放不僅是把人彈到了空中,而且使得這個蹦床表面從一開始緊繃的靜止狀態一下子變成反覆起伏、上下翻滾的褶皺狀態,這個起伏翻滾並傳開來的褶皺就可以理解成一個波動的傳播,即產生引力波。”

蔡一夫說,如果把宇宙空間比作蹦床,把黑洞比作蹦床運動員,它在宇宙這個大蹦床上通過碰撞、併合等方式蹦了一下,就會把之前儲存的巨大能量釋放出來,這種行為會擾動周圍的時空,造成起伏和震動,這個能量就會以引力波的形式傳遞出去。這種起伏的程度越大,波動就越大,引力波也就越強。

引力波的發現有什麼用途

1、驗證了已故科學家愛因斯坦的預言。如果引力波不被發現,愛因斯坦的理論就如同缺了一條腿的凳子,是有漏洞的。引力波的發現,擬補了愛因斯坦的廣義相對論的漏洞,也確定了他的理論的正確。

2、引力波的發現類似當年的發現X光一樣,是一種工具。有了這個工具,我們可以利用引力波的觀察,去觀察遙遠的宇宙的現象。發現暗物質、時空穿梭等等才是有可能實現的事情。如果沒有引力波,以我們現有的技術是做不到這些科幻世界才有的事情的。

3、引力波不同在於,引力波的週期要長得多,同時也微弱的多,能觀察到引力波,至少要具備一定的技術水準,觀察到引力波說明在這個領域人類的技術進步到了前所未有的水平。

4、隨後是新用途:如果引力波被證明擁有雷管雞預言的性質,那它將大大改變我們的生活。我們目前所有的太陽能電池都將變化雷管雞錐形,那時我們所使用的太陽能發電將是現在的5倍!!!而火力發電的減少又會造成霧霾減弱、二氧化碳排放減少、大氣變暖減輕,酸雨減少,節約了化石資源,前途光明啊!想想就開心!

5、引力波的發現將會改變物理界,對整個人類發展將會起到巨大變化,人類,將會步入引力波世界

引力波攜帶著與電磁波截然不同的資訊,將為我們揭示宇宙新的奧祕,甚至為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙

“一旦宇宙中某個地方因為天體碰撞或爆炸產生了引力波,這種時空的‘震盪’會在宇宙間以光速傳播。如果離地球足夠近,就可以用‘引力波天線’接收這些訊號。就像地球上時不時發生地震一樣,只要我們有一個好的地震儀就能探測到這些微乎其微的震盪。”蘇萌說。

蘇萌介紹,目前引力波根據其產生源不同,主要分四種,分佈在不同頻率上。針對不同頻率,科學家設計了不同的探測手段。例如,這次LIGO實驗組探測到的黑洞引力波就屬於高頻段,探測手段就是地面數公里的鐳射干涉裝置。

四種引力波中,原初引力波頻率最低,迄今為止還未被觀測到,其波長跟整個宇宙的尺度差不多大。它不同於天體運動、演化形成的引力波,而是來自於宇宙早期,產生於宇宙大爆炸時宇宙時空劇烈的“暴脹”過程中。原初引力波的探測需要對宇宙大爆炸後微波背景輻射(宇宙微波背景輻射是宇宙誕生大概38萬年後留下來的電磁波)進行觀測,一旦被探測到對基礎物理學意義更加重大。

那麼,探測到引力波到底有啥用?

科學家們普遍認為,這次LIGO這一發現是愛因斯坦相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”,證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性。

“既然引力波是存在的,基於引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一條未知的路,走到半路,有人懷疑不對,結果證實是對的,那麼就可以加快步伐了。”蘇萌說。

蘇萌說,從科學上講,引力波的發現為我們打開了研究宇宙的全新視窗,射電、光學、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自於光子攜帶的資訊,引力波攜帶著與電磁波截然不同的資訊,將為我們揭示宇宙新的奧祕,比如黑洞與黑洞併合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發出的原初引力波,那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

“就好比,人類以前以為自己只有一雙能夠看見外界的眼睛(電磁波探測),現在發現自己還有一雙能夠聽見外界的耳朵(引力波探測)。”中科院高能所研究員張新民說。

引力波的發現對普通人的生活會產生什麼影響?科學家們表示,一個新的重大科學發現,總會給人類社會帶來無法預估的發展。18世紀描述電磁波的麥克斯韋理論確認的時候,也沒有人知道會給人類帶來什麼,但是現在不管是電視機還是行動電話,都與電磁現象有關。