从立扫把挑战谈到引力波探测
发布时间:2020-02-20 14:29:49 编辑: 阅读次数:799

     你的朋友圈是否被这样的图片刷屏呢?这是「NASA立扫把挑战」活动,起源是NASA说因为当日地球引力最小,所以是唯一一天可以让扫把独自站立的日子。有NASA在前,还是有不少伙伴纷纷试验,发现竟然真的能立起来!麓帮主看完后一脸问号,不禁要问一句:NASA说过这话?找遍全网也不曾发现NASA的官方发声。

扫把立起来了

       那么,这个说法是真的吗?

 

【地球引力】

 

        先说说地球引力减小有以下几个原因:

•地球自转加快,自转产生的离心力可以抵抗一部分引力。但地球自转情况短时间不会改变。考虑月球的潮汐作用,地球自转会变慢,这一点需要漫长的时间才会显现出来。

•地球质量变小,地球质量与引力成正比。人类在地球的采矿等活动会消耗一部分地球质量,但地球也会从太空中捕获大量的微粒尘埃,两者相互抵消,对地球质量的影响微乎其微。

•地球、月球与太阳的相对位置。当三者排成一条直线,对地球表面的物体有更强的吸引力,会抵消一部分地球引力的作用,但这一影响也极小,想想日食时我们拿东西并没有感觉到明显的变化。
        

日食

      既然地球引力不会明显改变,那么这一说法便站不住脚了。物体能否立起来,与地球引力也没有一毛钱关系,它只与重心位置与支撑点有关。扫把的重心低,底部柔软而密集的扫把刷毛容易形成稳定的支撑结构,因此便容易立起来。所以,扫把天天都能立起来!

      但是我们也会好奇,假如地球引力真的变小了,我们会受到什么影响呢?地球引力有一个很直观的表现就是重力。如果引力没有减少多少,人会感觉自己变轻,并且拿东西更加省力了。但如果减到了完全失重的话,人就会飘起来,大气也会发生逃逸,空气异常稀薄,人们的生存就会非常的困难。

 

【引力与引力波】

 

      那么在一个很长的时间尺度上,引力的变化会怎样影响我们?这一研究可以从引力波来入手。
  
      牛顿提出了万有引力理论,它的主要内容是任意两个带有质量的物体都会有相互吸引的作用,吸引力的大小与物体质量和距离有关。引力波最早是由爱因斯坦本人提出的,是广义相对论的直接推论,它指出有质量的物体会把周围的时空弯曲掉,其它物体通过这种弯曲的时空的时候就会表现出一种好像被吸引了的作用。当物体震动的时候,时空也会被激起波动,这就是引力波,也被比喻为“时空涟漪”。 
     

引力与引力波

      引力与引力波之间的关系可以这样来比喻:引力就是有质量的物体引起的时空弯曲的表现,就像一个蹦蹦床,中间放入一个有质量的哑铃,蹦床会塌陷,就像时空被扭曲,蹦床上的其他物体会在重力作用下像塌陷的中心靠拢,就像受到了“引力”,在哑铃放入蹦床的时候,会使蹦床表面产生波动,大致比喻为“引力波”,质量产生了引力,引力又产生了引力波,并靠引力波像更远的方向作用,也就是传递。

      这让人不禁想到那个还未经论证的假设......宇宙创始之处有一个大爆炸,我们现在仍然受到大爆炸的影响,也就是说,那一次时空波动产生的引力波还在,于是,我们可以通过引力波来挖掘宇宙诞生的秘密。

 

【引力波的探测】

 

      探测引力波是难度最大的前沿科技之一,也是一项意义极其重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但也一直未被证实的预言,引力波一旦探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

      韦伯棒是最早的一种棒状引力探测器,它是由美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)建造的。韦伯棒是一个直径一米、长度两米的铝制圆柱体。当引力波经过圆柱体时,引力波会迫使圆柱在不同方向上不断地拉伸和压缩,这会在圆柱体内产生微弱的压力,精密的压电感应器可以把这个压力改变灵敏地测量出来。如果引力波的频率恰好和圆柱体本身的特征频率相符,就会引起共振,从而可以测量更微弱的信号。韦伯宣称他发现了引力波信号,引起许多科学家纷纷搭建自己的引力波探测器,但是经过更精密、干扰更小的棒状探测器重复实验后,却未能得到令人信服的结果,这表明,韦伯观测的引力波很有可能是噪声。

韦伯和韦伯棒

      对引力波探测的研究发展至今,主要有三种测量引力波的方法。

         

•通过宇宙微波背景辐射测量
     

      这种方法主要是用于探测原初引力波。原初引力波是宇宙诞生之初产生的一种时空波动。微波背景辐射(CMB, cosmic microwave background)是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的。原初引力波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的扰动都无法产生这种B模式偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在。

      美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的宇宙泛星系偏振背景成像(BICEP,Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)望远镜BICEP2来观测微波背景辐射,从而间接探测原初引力波。
 

BICEP2望远镜

        美国加利福尼亚大学的物理学家在智利北部的阿塔卡玛沙漠中安装两个以上的大型“时空波动”望远镜,组成西蒙斯望远镜阵,探测原初引力波信号。
 

西蒙斯望远镜

      我国也有中科院高能物理研究所主导的探测原初引力波的“阿里实验计划”,包括阿里1号和阿里2号两部分。阿里1号是指建在海拔5250米的一台原初引力波望远镜,可得到最高精度的北天区原初引力波极化数据。阿里2号是在海拔6000米以上地点建设的望远镜阵列,进一步拓展观测频段,提高观测精度。
     

西藏阿里实验计划基地现状

•利用脉冲时间延迟测量
      
      引力波会引起所传播时空的变形,当有引力波通过地球与脉冲星之间的时候,脉冲星发出的射电波所经过的路径就会被周期性地压缩和拉长,导致望远镜接收到的脉冲信号出现周期性地早到和延迟。对脉冲到达时间进行长期监测,就有希望捕捉到引力波信号。然而,仅观测一颗脉冲星是不够的,因为许多噪声会掩盖引力波信号,但单颗脉冲星的观测可以用来限制可能存在于数据中的引力波信号强度,为此,天文学家提出脉冲星测时阵的概念,即同时监测多颗脉冲星,寻找引力波对不同脉冲星计时信号造成的相互关联影响。

      我国的500米口径球冠状主动反射球面射电望远镜(FAST,Five-hundred-meterAperture Spherical radio Telescope)正是利用脉冲星测时阵来探测引力波信号的。它是世界上单口径最大、最灵敏的射电望远镜。 2020年1月11日,FAST通过国家验收,投入正式运行。

 

FAST望远镜

      多国合作的平方公里射电阵(SKASquare Kilometre Array)也是利用脉冲星测时阵来研究引力波的。正如它的名字一样,SKA是由数千个较小的碟形天线构成,这样能提高更高的解析度,该项目预计2030年投入使用。
 

SKA阵列

•依靠空间和地面激光干涉仪测量
            
      采用的激光干涉仪结构为迈克尔逊式,其原理是一束激光经过一个分束镜后朝向两个互相垂直的方向前进,分别被反射镜反射回来并重新汇聚。汇聚后的激光产生干涉现象,若无干扰,干涉图像保持稳定,然而一旦引力波经过,改变反射镜与分束镜的距离,干涉现象就会改变,从而测量到引力波。
 

激光干涉

      但要用这一原理探测引力波也并非易事。一是引力波的振幅极小,与物质作用时引起的变化也极小,需要精度和灵敏度极高的探测器,二是引力波的频率极低,这意味着引力波的波长极长,干涉仪的等效臂长至少要达到引力波波长的1/4才能进行有效探测。除了引力波本身的原因之外,这一原理对于设备也有极高的要求。为了达到更长的等效臂长和更高的激光功率,需要采用F-P(Fabry–Pérot,法布里-珀罗)谐振腔进行谐振,对谐振腔内部的洁净度、反射镜的反射率、机械件稳定度和隔震方案均提出了极高的要求。
 

LIGO干涉仪

      采用激光干涉仪方法进行引力波探测的主要代表之一为美国LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉引力波天文台)。LIGO由两个干涉仪组成,每个臂长为4km,经过F-P谐振腔后,有效臂长可达1600km,激光功率可达750kW,内置的纯二氧化硅反射镜可做到每300万个光子入射,只有1个会被吸收,并且内部气压仅为万亿分之一个大气压,隔震也做到了极致。

      LIGO在2016年宣称探测到了引力波,引起了巨大轰动,领导LIGO的三位美国物理学家捧走了2017年的诺贝尔奖。同样在2017年,LIGO和欧洲VIGRO项目组合作,3台激光干涉仪首次共同探测到了引力波,再次验证了爱因斯坦的理论。
                   
      若是想要干涉臂更长,只有考虑把东西送上天,臂长可达数万公里!因此,美欧提出了空间天线激光干涉仪(LISA,Laser Interferometer Space Antenna)计划,可以说是探测臂放大了60万倍的LIGO计划。
 

天琴计划示意图

       我国的空间引力波探测计划也在积极实施。“天琴计划”目前已进入太空试验阶段,“空间太极计划”也在不断攻克难关!

       我们期待着,科学家们解开引力波的面纱,探寻到宇宙起源的那一天!

 

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