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,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
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