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引力波曾经是炙手可热的话题，尽管这几年随着时间渐渐有些降温，但依然能勾起大众极大的兴趣。前阵子就看到了引力波碰到光这个非常好玩的话题，一个是中子星合并，甚至是黑洞和原初大爆炸的信息使者，另一个则是宇宙中难以逾越的速度-光，两强相遇，谁会认怂？ 引力波是什么？其实要了解引力波是什么，必须先来了解下引力是怎么产生的，直接说引力波的都是流氓，因为连引力都没交代，哪来的引力波？ 1、以太时代 曾经牛顿借用了亚里士多德“以太”的概念解决了引力在真空中传播的问题，但在牛顿以后的数百年时间里，这个以太的问题一直困扰着科学界，一直到1887年迈克尔逊-莫雷实验证明了“以太”子虚乌有，这很有趣，因为牛顿无法解释他发现的万有引力传递媒介，赤裸裸的成了超距作用！幸亏牛顿已经已经去世150多年，否则让他脸往哪里搁呢？ 2、广义相对论时代 1916年爱因斯坦发表的广义相对论将经典力学时代的科学家从以太的大坑里拉了出来，广义相对论认为引力是质量弯曲周围时空的直接表现，就像一个球放在蹦床上，它周围会出现一个凹面。 这个解释其实比牛顿的万有引力更通俗易懂，因为大质量的坑比较大，小质量在这个大坑边缘公转时必须保持一定的速度才不会掉进坑里。 这很容易理解是因为我们在马戏团表演时就看到过，只要车速足够，就会在“离心力”的作用下紧贴在内壁而不会掉下来。 广义相对论认为，引力是质量在时空中的表现，而弯曲的空间充当了引力的媒介，这个完美解释解决了水星进动问题，也预言了1919年的日食观测时的星光被太阳引力弯曲，爱丁顿爵士亲自带队验证了整个过程。 3、引力波是什么？ 引力波的定义是时空的涟漪，那么是哪些方式会引起时空的涟漪呢？有两类，一类是质量的运动，另一类是质量的改变，两种方式都可以发生弯曲空间的波动。 天体运动对周围时空的波动，与天体的质量与运动速度有关系 另一类则是双中子星或者黑洞的碰撞合并，超大质量的运动以及合并都会对周围的时空产生极大的波动，当然还有更遥远的宇宙大爆炸也能会产生引力波，我们将那种引力波称为原初引力波。 LIGO如何探测引力波？光遇到引力波的运动方式其实就是我们探测引力波的原理，下面先来了解下LIGO是怎么样来探测引力波的。 其实LIGO的引力波探测器原理与迈克尔逊-莫雷实验的光干涉仪非常相似，LIGO的探测原理是将一束频率稳定的单色激光用分光镜分为两束，严格调整两束光的反射距离，精确到两束光重新汇聚到分光镜上时，是相抵消的，在检测信号的光电管这边输出是平直的信号，当引力波扫过这束激光时，由于引力波是时空弯曲的涟漪，因此两束光的光程会发生变化，最终汇聚到分光镜上时原本相消的条件被破坏，光电管检测到信号，那么可以根据相消的程度得到引力波的相关信息 两束光相消的与增强的原理，强度相同，相位相反是会相消的，这是引力波天文台探测最基本的原理。但这只是表面上的，等下我们说明为什么相位会发生变化。 上图是2015年9月14日首次直接探测到的双黑洞合并引力波形，a是LIGO在华盛顿汉福德检测到的波形，b是路易斯安那州的利文斯顿检测到的波形，两者振幅一致性非常高，这表示绝不是干扰。 对引力波信号的分析出两个天体的合并过程，当合并成一个后，振幅消失，时空趋向于平静。
下面我们来说说为什么两束光相位完全相反可以相消的光为什么相位会发生变化。这是因为当引力波扫过两束光时由于引力波到达的时间不一样（光速），因此两束光走过的距离会发生轻微的变化，也就这束光波长会被拉长或者压缩，最终叠加后的波形无法彻底消除，在光电探测器上留下了信号。 光遇到引力波会怎么样？首先我们要理解一点，光在时空走的路径是最短的，无论时空如何，它走的永远都是最短的那条路径，那有很多朋友会有疑问了，既然光走的是最短路径，它为什么在太阳附近绕了弯路？
其实各位都理解错了，在弯曲的时空中光依然走的是最短路线，就像地球上两点之间你所谓的直线就是弯曲的，因为地球本身是一个曲面。所以当光碰到能弯曲时空的引力波时光的表现犹如一个服服帖帖的小弟，时空怎么弯曲它就怎么走，波浪形的时空它就会走出波浪形的路径，但请注意，这依然是最短路径。
如果不太容易理解，你可以把这个GIF图上的花纹想象成光线即可。或者理解成大浪中风雨飘渺的小船一样。 |
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