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是引力波,也是自主招生考点!

2016-02-23  许愿真

  这个近日刷爆朋友圈、科技圈、高逼格圈的名词,百分之一百会在自主招生考试中被教授问到(小科可以肯定的是“引力波”在自主招生考试中被考到的概率近乎百分之百,为什么呢?大学教授对科学界的事天然敏感,谁让命题人是不食人间烟火的教授呢),天科学堂的小科老师实在不想把这么机密的事情一个人藏在心底,以后还有更加劲爆的小道消息独家发布,还不快快关注天科学堂自主招生(微信ID:zzzs985)。下面是真材实料,好好看:

  那么,自主招生将要问到的“引力波”到底是什么意思呢?

  下面这个只有3分钟、不是土豪也能看的小视频,是我迄今看过最为简单明了的介绍短片,它能让我们快速搞清楚这“爆炸性大新闻”究竟说了个啥。

  看懂了吗?下面,我们用科学严谨的态度来学习一下。

  引力波大百科

  什么是引力波

  引力波是加速中的质量在时空中所产生的波动,也被比喻为时空的“涟漪”。阿尔伯特?爱因斯坦在1916年提出广义相对论,认为引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。

  引力波

  世界科学界公认,引力波探测是难度最大的尖端科技之一,也是一项意义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一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠,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。

  在华盛顿举行的新闻发布会上,LIGO宣布了数月间传言不断的关于引力波的大发现,印证了爱因斯坦的预言。

  大卫?瑞兹表示,正如望远镜开辟了现代观测天文学,引力波的发现,开辟了观测宇宙一扇新窗。

  谁发现了引力波

  理论上,引力波在宇宙中无处不在,但非常微弱,只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞,才会产生足够强烈的引力波。探测到引力波,是对广义相对论的实验验证。

  根据广义相对论,一对黑洞在相互绕转过程中通过引力波辐射而损失能量,逐渐靠近。这一过程持续数十亿年,在最后几分钟里面快速演化。在最后时刻,两个黑洞以几乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,形成一个质量更大的黑洞。

  时空的波纹

  根据爱因斯坦的E=mc?2;公式,这个过程中一部分的质量转化成了能量,而这些能量在最后时刻以引力波超强爆发的形式辐射出去。

  五个月前,LIGO真实地捕捉到了这样的信号。世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间17:51分),位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两个LIGO探测器探测到了引力波信号。

  先进LIGO设施的引力波探测范围示意图

  研究者们这次检测到引力波,是由距离地球13亿光年之外的两个黑洞合并产生的。基于观测到的信号估算,两个黑洞的质量大约分别是太阳质量的29和36倍。13亿年前,大约三倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍,这一引力波首先到达列文斯顿探测器,7毫秒之后到达汉福德探测器,这意味着引力波源位于南半球天区。

  引力波研究现状

  LIGO天文台由美国国家科学基金资助,由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造、运行。而最终证实发现引力波,是多国科学家协作的成果。LIGO科学合作组织包括GEO600组织、澳大利亚干涉引力天文协会等,意大利的Virgo项目也贡献了两台LIGO探测器的数据。最终,发表在物理评论快讯(Physical Review Letters)期刊,共有1004位作者。

  示意图:两个黑洞的合并过程及其对背景星光的扭曲形变效果

  引力波存在的第一个证据发现于20世纪70年代,美国科学家罗素?赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫?泰勒(Joseph Taylor)在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星相互绕转组成的双星系统,由于辐射引力波,脉冲星的轨道缓慢地缩小,观测到的轨道变化率与相对论的预言高度一致。这项工作也让两位科学家获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

  除了LIGO之外,目前国际上的引力波探测计划还包括意法合作的VIRGO,英德合作的GEO600米,日本的TAMA300和LCGT工程。

  2000年,欧洲航天局曾宣布,将与美国合作共同实施“激光干涉空间天线(LISA)”计划,发射3颗卫星,组成一个边长为500万公里的巨大三角形,它们之间以激光束相连,在太空中进行观测。

  多年后,美国由于经费问题选择了退出,欧洲也出于节省经费的目的,推出了一个缩小版的ELISA计划,但原定2012年发射的第一颗实验卫星,已经被推迟到了2018年。

  国内先行者:中大陈嘉言

  陈嘉言,1959年毕业于中山大学物理系,1960年,被任命重组物理系基础实验。1973年陈嘉言从“英德干校”调回,重新领导重建基础实验室并开始了引力波实验的研究。

  1969年,美国马里兰州立大学的J.Weber宣称:他已探测到不排除为引力波的信号!Weber的实验结果引起物理学界极大的注意。

  消息在中国也有了回应。1973年,北京中国科学院的王祝翔、秦荣先等人来到广州,商讨北京高能所和中山大学合作引力波符合探测研究。陈嘉言等人决定参加并得到学校的大力支持。

  1976年,国家科委和教育部把这项研究定为国家重点研究项目。1979年11月,中国引力与相对论天体物理学会在广州成立,许多老一辈的著名科学家如钱三强、周培源参加了学会,学部委员北京大学胡宁教授为理事长,陈嘉言副教授当选为副理事长。

  1980年初,常温共振型引力波探测器完成组装。1981年6月,常温引力波探测系统开始实验性运行,测出和记录了天线的热噪声,得出了理论灵敏度同实测灵敏度一致的结果。1982年1月,陈嘉言副教授应邀到西澳大利亚大学访问并作学术报告,这是中国科学界首次到当地访问。

  1982年4月9日,将作为一个沉痛的日子,记载在中大引力物理研究室的历史上刚从上海为即将召开的国际会议审稿回来的陈嘉言,风尘仆仆,又马不停蹄地投入了工作。中午十二时,同事们下班了,陈嘉言一个人钻进了天线的真空罐中,不幸触电,因公殉职,终年四十六岁。

  经过1973-1976年的初期研究,1976-1982年的攻关,中山大学大型常温引力波检测系统基本建成,多项科研成果达到或超过世界水平。得到广大国际同行的认可,中山大学引力物理研究室成为国际引力波研究大家庭中的一员,成员多次应邀出国访问,应邀参加国际会议提供报告和参与组织会议。

  引力波考点汇总

  【物理】

  1、引力波探究的是宇宙中的天体,天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在,这与我们必修二中的万有引力关系密切。

  2、引力波本质上属于横波,在远源处为平面波,有两个独立的偏振态,携带能量,因此它与我们所学的选修3-4中的机械振动与机械波,电磁振荡与电磁波,以及相对论都是可以联系在一起的!

  3、美国加州理工学院,麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员宣布他们利用LIGO探测器探测到了来自于两个黑洞合并的引力波信号,所以引力波的观测利用到了光的干涉现象,这也是我们高中阶段所学的光学知识!套用老师的话来说,这又是一道“送分题”。

  【地理】

  1天体和天体系统1、天体是宇宙间物质的存在形式。天体有两类:自然天体和人造天体。自然天体有:恒星、行星、星云、卫星、彗星、流星体、星际物质。人造天体:太空中运行的人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、太空实验室等。流星是天体,但其到达地球后的残余部分——陨星已成为地球的一部分,就不能称作天体了。

  2、天体系统:总星系(最高级的):银河系与河外星系。银河系:太阳系和恒星世界。太阳系:太阳、八大行星及其卫星系统、小行星、彗星、流星体、星际物质。八大行星及其卫星系统:地月系、其他行星及卫星。地月系(最低级的):中心天体是地球、卫星是月球。总星系不是宇宙,是可见宇宙。

  3、八大行星的运动物征:共面性、同向性、近圆性。八大行星的结构特征:类地行星:水、金、地、火。(特征是:距日近、表面温度高、质量小、体积小密度大、无光环)巨行星:木、土。特征是:中、中、大、大、小、有光环)远日行星:天王、海王星。(特征是:远、低、中、中、中、有光环)

  4、地球的特殊性:有生命。其条件是:外部环境:安全的宇宙环境,稳定的光照。自身条件:适合生物呼吸的大气、适宜的温度、液态水。普通性是:和其天体有着共同的运动特征和结构特征。

  5、影响太阳辐射总量和日照时数的因素是:纬度、地势、天气。

  6、影响雪线的因素是:最根本的是(温度和降水)①纬度因素:纬度低,雪线高。②季节因素:夏季高,冬季低。③降水因素:降水量大,雪线低,降水量少,雪线高④坡度因素:坡陡雪线高,坡缓雪线低。⑤坡向因素:向阳坡雪线高,背阳坡雪线低。

  7、太阳辐射对地球的影响:①对自然界的影响:维持地表温度,是促进地球上水、大气运动、和生物活动的主要动力②对人类的影响:人类生产和生活的重要能源(太阳能、煤炭、石油、天然气、风能、波浪能、水能)

  8、太阳辐射的分布:世界:从低纬向高纬递减,南北半球纬度相同的地区太阳辐射量随月份变化的规律相反。中国:30°N---40°N随纬度增高增加,40°N以北由东向西增加,呈东西分布。23°N----35°N有高值中心(青藏高原)(原因是:①海拨高,空气稀薄,空气中尘埃含量较少,晴天多,日照时间长。②大气对太阳辐射的削弱作用小)和低值中心(四川盆地)(原因是:盆地地形,水汽不易扩散,空气中水汽含量多,阴天、雾天较多,对太阳辐射削弱作用强,从而造成日照时间短,日照强度弱,太阳能资源贫乏。)

  9、太阳活动对地球的影响:太阳活动有:黑子——光球层,活动周期为11年。耀斑——色球层。对地球的影响:①黑子与降水具有相关性(正或负相关)②耀斑使无线电短波通讯中断③太阳大气抛出的高能带电粒子扰乱地球磁场,产生磁暴④带电粒子流与两极高空大气摩擦产生极光现象。

  10、地球的外部圈层:大气圈(最厚的圈层)、水圈(连续但不规则)、生物圈(最活跃的圈层)。地球内部圈层:地壳(大陆较厚、洋底较薄、平均为17km)、地幔、地核。界面:莫霍界面、古登堡界面。地震波:横波(传播速度慢,只能通过固体,近地面速度为3—5之间)纵波。(传播速度快,能通过固、液、气,近地面速度为8—9之间)岩石圈:包括地壳,上地幔顶部。上地幔顶部软流层是岩浆发源地。

  2地震

  根据爱因斯坦的广义相对论,引力是指以质量改变空间形态的一种力量,靠近任何拥有较大质量天体附近的空间结构都会变得扭曲,但是这种空间结构的扭曲并不总是发生在大质量天体附近。

  另外,爱因斯坦还意识到,这种空间扭曲可以在整个宇宙范围内传播,就像地震波在地壳中传播一样。但与地震波不同的是,引力波在空间是以光速传播的。如果你能够看见朝你迎面而来的引力波,你会看到它周围的空间向上下左右各个方向时而拉伸,时而压缩的景象。

  【语文】

  (2012年北京卷第4题)

  4.在文中横线出填入下列语句,衔接恰当的一项时是( )

  如果有黑洞撞向地球,那么__________。当然,你听到的不是声波,而是引力波,因为_______。当黑洞靠近时,引力波会“挤压”内耳骨,产生类似照相机闪光灯充电是发出的咝咝声。尽管天文学家认为,_________,但正常情况下,__________。

  ①引力波每时每刻都在影响着我们

  ②你会听到它悄然逼近的声音

  ③引力波是听不到

  ④声波在真空中无法传播

  A.②③①④

  B.②④①③

  C.③②①④

  D.③①④②

  答案:B

  【英语】

  1、引力波 gravitational wave

  2、广义相对论general relativity

  3、狭义相对论special relativity

  4、引力规范理论Gravitational Gauge Theory

  5、能量转换energy exchange

  6、极化Polarization

  7、辐射Radiation

  8、激光laser

  9、测试仪Metering Instrument

  10、时空弯曲curvature in space-time

  11、选择效应selective effect

  文章来源于天科学堂自主招生网:http://www.goodedus.com/。天科学堂原创,转载需注明出处。

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