引力波与电磁波

   ‍‍ 大部分人对于“引力波”这个概念还是很陌生，但是对于引力波的“好兄弟”——电磁波，你一定不陌生。就算你一个物理公式也不记得，也还是能举出许许多多的电磁应用。手机、微波炉、GPS、X光等等，电磁波在我们的生活中有着十分广泛的应用。

    电磁波概念的提出只比引力波早了50年，别看只是50年，电磁波的发展要比引力波快多了。从电磁波概念的提出到发现电磁波，人类只用了20年，而引力波，足足用了100年！今天，人类已经对全波谱的电磁波都有所研究和利用，但是引力波却刚刚被探测到。如果说人类对“电磁波”的了解已经博士毕业，而对“引力波”的了解还处在幼儿园大班的水平，一点也不为过。

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电磁波的前世今生    

    要说起电磁波的发现，我们得先从光开始说起。光学是物理学中最古老的一门基础学科，也是人类认识客观世界的进程中重要的组成部分。

    古人对于光的认识和利用大多来源于对实践的总结，较少从科学性上进行探讨。墨家学派创始人墨子所著的《墨经》（约成书于公元前330年）最早记述了小孔成像的实验，也是在有记载的人类历史中第一次对光直线传播的性质做出的科学解释。此后的一千多年里，光学的发展一直较为缓慢，大多围绕着光的直线传播、反射、折射等现象，到16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现，但人类对于光的观察还停留在肉眼观测阶段。

    17 世纪，有一场关于光的本性的争论，也就是微粒说和波动说之争。微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。

‍‍    对于光的探究，从“微粒说”到“光电效应”经历了近两个世纪，人们终于认清了光的本质。爱因斯坦曾经盛赞法拉第、麦克斯韦和赫兹的工作是 “牛顿力学以来物理学中最伟大的变革”。

    电‍‍磁波包括的范围很广，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ 射线，人们按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。如今，电磁波谱各个波段的特性不断被人类认识，并被广泛地应用到科研、通讯、广播电视、军事、医疗等领域。‍‍

洞察宇宙的“眼睛”和“耳朵”

    满天繁星，万里之遥，我们只能远观它们的模样。望远镜的发明，拓展了人类认识宇宙的视野。天体在一刻不停地向四周辐射电磁波，光学望远镜能够通过可见光对天体进行成像；射电望远镜能观测到波长在1毫米—30米之间的无线电波；空间望远镜突破了大气的屏障，能够探测更为宽广的电磁波谱。

    望远镜诞生已经有400年了，这些指向天空的“巨眼”，各显神通，无论是射电波、红外辐射、可见光、紫外辐射，还是X射线、 γ射线，都可以尽收眼底。

（图片：中国科技馆展品——光学望远镜)

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神秘的黑洞

    有一种神秘的天体，目前人类最先进的空间观测设备也无法直接观测到它，那就是黑洞。

    黑洞是一种密度极大、体积极小、引力极大的奇妙天体，任何靠近它的物体都将被吸引，甚至连光都无法逃逸。与别的天体相比，黑洞十分特殊，它完全不发射和反射任何电磁波，人们无法用现有的观测设备直接观测到它，只能通过观测它周围的星体和物质来确定它的存在。但是引力波的发现，为人类研究黑洞、暗物质以及更古老的宇宙和更遥远的天体打开了一扇全新的窗口。通过引力波我们能够了解电磁波所无法探测到的宇宙的另一面，如果说，电磁波的发现给了人类观测宇宙的“眼睛”，那么引力波的发现便是给了人类观测宇宙的“耳朵”。

（图片：中国科技馆展品——神秘的黑洞)

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引力波从哪来？双黑洞！

    这次引力波事件的背后其实是两个13亿年前的双黑洞合并在宇宙中“搅动风云”，这两个分别为36倍太阳质量和29倍太阳质量的黑洞并合后，产生了一个62倍太阳质量的黑洞。这次并合将大约3倍太阳质量（大约六百万亿亿亿千克）转换成了引力波能量，其中大部分能量在不到一秒的时间里被释放出去。

    ‍‍清华大学曹军威老师给我们做了一个简单的比较：“太阳这样一个巨大的能量源，每秒钟也不过是将自身质量的十万亿亿分之二（大约四十亿千克）转换成电磁辐射，这么一比GW150914的能量真是大得不可思议。而事实上，GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和的十倍还要多。”‍‍

引力波是怎样被发现的？

     带电离子在电磁场中会被加速，辐射出电磁波。于是在广义相对论中，爱因斯坦预测有质量的物体会在引力场中被加速，并辐射出引力波。但为何这100年中人们始终没有发现引力波的踪迹呢？那是因为引力波实在是太微弱了。要知道引力数量级是电磁力数量级的10的36次方分之一。我们集合了世界上最好的设备也难以扑捉到它。

LIGO--引力波探测仪2.0

    第一代探测引力波的干涉仪在二十一世纪初建造完成，包括日本的TAMA300，德国的GEO600，美国的LIGO和意大利的Virgo。但是，这些探测器在2002年至2011年运行期间，并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后，两个升级版的LIGO探测器的灵敏度大幅提高，并作为升级探测器网络中的先行者进行观测。幸运的是，就在LIGO升级后不久，来自13亿年前的双黑洞合并所产生的引力波就造访了地球。

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引力波的数值到底有多小？

    LIGO是世界上最大的引力波天文台，同时也是世界上最精密的物理实验之一，它由两条分别长达四公里并且互相垂直的干涉臂构成。LIGO干涉仪沿着每条臂传播的激光束在末端反光镜（悬挂的测试质量）处被反射。当引力波经过时，时空的伸缩导致一条臂长变长的同时另一条臂长变短。当两条臂的长度变得不同时，激光束在两臂传播时间不再相同，也就是说两束激光束的相位不再同步，于是所谓的干涉条纹产生了。两条臂的长度差异的数值之小令人咋舌。一个典型的引力波应变大约在质子直径的万分之一 ！而具有极高灵敏度的LIGO干涉仪能够测量出如此微小的变化。

 

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LIGO是如何工作的？

最大的真空系统

高能稳定的激光

 

全世界最好的镜面

最稳定的震动隔离系统

精密测试

数据分析

全球共有1000多名科学家和研究人员为人类首次探测到引力波做出了巨大的贡献！

曹军威老师讲座——时空涟漪引力波

  ‍‍  2月20日，中国科技馆有幸邀请到清华大学曹军威老师来到“中科馆大讲堂”给大家做了一场生动精彩的报告。现场座无虚席，甚至连台阶上都坐满了观众。‍‍

    讲座结束后，还有很多科普爱好者围着曹老师继续探讨有关引力波的问题，气氛热烈，仿佛讲座仍没有结束。

【曹军威老师小档案】

    清华大学信息技术研究院研究员、清华大学天体物理中心兼职研究员曹军威老师，2004-2006年期间，在美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台（LIGO）实验室工作，于2006年12月正式回到了母校清华大学任教，于2009年代表清华大学成功申请加入到了LIGO科学合作组织，并担任理事会成员。2016年2月11日，LIGO宣布引力波成功探测——爱因斯坦百年预言证实！曹军威是中国大陆唯一参与团队的负责人。

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    本期《微专栏》中所涉及到一些基础物理以及宇宙知识，如果你想了解更多，欢迎到中国科技馆一探究竟！

    相关展品：

‍‍‍‍    华夏之光展厅：小孔成像    

    探索与发现A展厅：光学望远镜、与星空对话、小天体与地球的邂逅、宇宙尺度、神秘的黑洞、发现电磁波、电磁波大家族

    科技与生活D展厅：立竿见影

    挑战与未来B展厅：万有引力、詹姆斯韦伯空间望远镜

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