引力波 (物理概念)

在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。美国当地时间2016年2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)宣布人类首次直接探测到了引力波。

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    1简介

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    引力波也称重力波,引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式,是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射,同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射,这是广义相对论的一项重要预言。引力波与流体力学中的重力波很相似,当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置,在重力gravity force)和浮力(buoyancy force)的综合作用下,液团会处于上下振动以达到平衡的状态。即产生波动。引力波则是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。引力波将帮助研究人员探测其它神秘而强大的宇宙事件,施茨说:“引力波具有很强的穿透能力,因此它们可使我们直接观测到超新星爆炸、伽马射线暴和其它大量宇宙隐藏秘密的更多信息。”

    引力波由黑洞等天体在碰撞过程中产生,可把它想象成石头丢进水里产生的波纹。100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年才首次获得证实。

    2爱因斯坦猜想

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    “引力波”,听名字给人一种曼妙舞动的韵律之美,爱因斯坦在广义相对论中曾描述:“引力波以光速迅速扩散,充满整个宇宙。”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,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动,这些振动就是引力波。这些波动,可以想象为将一块石子投入水中所掀起的涟漪,因此人们也为引力波赋以一个好听的名字“时空涟漪”。

    引力波一直是爱因斯坦提出来的虚无之物,没有人见过,没有人能证明,没有人能检测到。就连爱因斯坦本人也想象不到,能通过怎样的方法探测到引力波,以至于他本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。

    3探测历史

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    1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。

    引力波引力波

    1974年,泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测,观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

    上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成,直径1米,长2米,质量约1000千克,用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时,圆柱会发生共振,进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器,只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年,韦伯宣称他探测到了引力波,立刻引起了学界的轰动,但是后来的重复实验都一无所获。

    上世纪70年代,加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯(Rainer Weiss)等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高,要能够在1000米的距离上感知10^-18米的变化,相当于质子直径的千分之一。直到上世纪90年代,如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

    1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长均为4000米。在两臂交会处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短,这样就会造成光程差发生变化,因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

    引力波引力波

    两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO1999年初步建成,2002年开始运行。

    2007年,LIGO进行了一次升级改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。20097月,增强LIGO开始运行直到201010月结束。

    2002年到2010年期间,LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

    2010年,LIGO进行了为期五年的重大升级改造,改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍,被称为“先进LIGO”。2015918日,先进LIGO开始试运行。据悉,本次探测到的引力波是升级前的LIGO2015914日探测到的信号。

    目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内,除了美国的LIGO引力波探测器之外,还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India

    地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10^4赫兹。除了地基引力波探测器之外,科学家也在积极筹备“激光干涉太空引力波天线”(LISA/ eLISA)。理论上,eLISA探测引力波频率范围为10^-5赫兹~1赫兹。

    值得一提的是,科学家也在利用一种叫“脉冲星计时阵列”(PTA)的射电天文方法探测更低频率(纳赫兹)的引力波。PTAeLISALIGO在探测频率上形成互补关系。

    美国当地时间2016年211日上午1030分(北京时间2112330分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!

    4探测意义

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    引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后,人类认识宇宙的全新窗口,必将引发一场天文学的革命。

    引力波探测除了能够检验广义相对论之外,还有助于证明其它版本的引力理论正确与否,还将推动引力量子化的研究,最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。

    引力波像其它的波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间,检验宇宙大爆炸理论的正确与否。

    5探测盘点

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    首次

    美国当地时间2016年211日上午1030分(北京时间2112330分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!

    这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

    第二次

    2016615日,美国LIGO和欧洲virgo两个引力波探测项目的研究人员在美国加利福尼亚州圣迭戈宣布,他们再次“非常清晰”探测到“时空涟漪”引力波的存在。

    在当天上午美国天文学会举行的新闻发布会上,研究人员宣布他们利用“激光干涉引力波天文台(LIGO)”探测器于美国东部时间2015年12月25日22时38分53秒(北京时间26日11时38分53秒),再次“清晰”探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。

    科学家说,这两个14亿光年外的黑洞,在合并前的质量分别相当于8个太阳质量和14个太阳质量,合并后的总质量是21个太阳质量,其中1个太阳质量的能量在合并过程中以引力波的形式释放。

    再次探测到引力波,表明这样的灾难性事件在宇宙中相当常见。这也意味着,当美国的高新激光干涉仪引力波天文台和意大利的高新室女座引力波探测器(Advanced Virgo)在升级后于2016年底恢复运行之后,很可能会检测到更多引力波事件。这将帮助科学家更好地理解成对出现的黑洞。

    引力波产生的时间

    2016年9月,新的研究表明,引力波产生于两个星系开始合并后约1千万年时,这一速度远远超过科学家此前的预期。

    这一发现,可能意味着我们也许能够探测到比以前估计更多的引力波,并有助于我们了解宇宙如何演变,进一步检验爱因斯坦的广义相对论。

    当1915年爱因斯坦发表其广义相对论的理论时,预言了黑洞或中子星的合并将造成引力波的形成。但当时不知道,这一合并过程的哪个时间点会触发引力波的产生并在整个空间传播。

    一个由瑞士苏黎世大学、巴基斯坦伊斯兰堡空间技术研究所、德国海德堡大学和中国科学院的天体物理学家组成的国际团队,首次使用计算机模拟技术计算星系的合并过程。在超级计算机的帮助下,研究人员计算出星系相撞后,两个质量约为1亿个太阳的中心黑洞发出强烈的引力波的时间。

    苏黎世大学计算科学研究所卢西奥·梅耶(Lucio Mayer)博士称:“结果令人惊讶。”“在开始合并后的1千万年,两个正在合并的黑洞就第一次产生了引力波——这一速度比以前的假设快了大约100倍。”

    这一计算机模拟试验花费的时间超过了一年,分别在中国、瑞士苏黎世和德国海德堡进行。该试验采用的模型比以前的更具体,因为它考虑了黑洞的轨道和星系结构之间的关系。

    梅耶称:“因此,我们的计算能够预测在宇宙早期阶段超大质量黑洞的合并速度。”他指出:“这有助于更有效地评估eLISA不久将来所找到的引力波。”

    第三次

    2017年6月2日消息,据Engadget报道,天文学家宣布,LIGO(激光干涉引力波天文台)第三次发现了引力波。因此,科学家们现在对黑洞的形成有了新的认识。引力波是以光速传播的时空涟漪。黑洞碰撞会产生无法估量的能量,从而释放出引力波。

    爱因斯坦的广义相对论已经预测引力波的存在,但人类一直没能发现,直到2015年9月LIGO首次进行直接观测。2015年12月科学家第二次发现了引力波。2017年1月4日科学家进行了第三次观测,这次观测到引力波的距离最远,离地球有30亿光年(前两次都在13-14亿光年)。

    新引力波的发现让人类见识了黑洞是如何缠绕旋转。两个黑洞相互缠绕,但有各自的轴线。它们朝哪个方向旋转,科学家们通过最新发现的引力波可解释。科学家发现其中一个黑洞是不对齐的,换句话说就是一个黑洞的轴线与另一个黑洞不同。了解双子黑洞如何旋转可帮助科学家知道黑洞的形成。

    当前围绕双子黑洞的形成有两大理论:其中一个认为一对恒星爆炸时会形成一对黑洞。因此黑洞会保持原先恒星的旋转,而且旋转一致。另一个理论认为,黑洞是独立形成的,后来在星团中逐渐走到一起。根据观测到的旋转非一致性,似乎证实了后一个理论。

    公布此消息的物理评论快报(Physical Review Letters)编辑班加罗尔·塞西亚普拉卡什(Bangalore Sathyaprakash)表示:“这是我们首次有了黑洞不对齐的证据,给了我们一丁点双子黑洞可能形成于密集星团的线索。”LIGO在短时间里做了很多工作,想到该天文台将注意力转向其他天文事件如中子星碰撞可能带来的惊喜,真让人期待。

    第四次

    北京时间2017年9月29日报道,天文学家称,他们又一次检测到了引力波信号——穿越宇宙的时空涟漪。这是美国激光干涉引力波天文台(LIGO)第四次检测到这一现象。

    2016年初,LIGO设施首次检测到了引力波信号,创造了历史。尽管现在检测引力波信号似乎已经成为常态,但是这次最新发现仍有独特之处,因为它还被另外一个非LIGO天文台检测到。

    LIGO由美国国家科学基金会出资建立,分别在华盛顿州和路易斯安那州建立了两个专门用于检测引力波的天文台。但是,意大利还有一个由欧洲运营的天文台Virgo,它几乎与LIGO设施一模一样。今年8月14日,在LIGO检测到引力波的同时,Virgo也首次检测到了引力波信号。这个信号来自10亿光年外两个黑洞的猛烈合并。此前侦测到的所有引力波信号也都源自黑洞的合并,但是这是首次有三个天文台同时检测到黑洞的合并。有关这次发现的论文将在《物理评论快报》上发表。

    提高信号来源精度

    三个天文台同时检测到引力波信号,对于人类更好的理解信号来源至关重要。借助三个天文台检测的信号,科学家们现在可以通过引力波信号穿过每个天文台的时间,更精确地推算出它的位置。这就好比对地球上任何事物进行定位需要三个GPS卫星一样。“这一次的定位精度要远胜于以往,”Virgo发言人乔· 范登布兰德(Jo van den Brand)表示。

    引力波来源的定位对于后续观测至关重要。现在,一旦引力波被检测到,使用传统光学或射电望远镜的科学家将知道把他们的观测设备指向天空的哪个方向。由于这些引力波信号来自黑洞,所以不会产生任何光,因此后续观测并未揭示任何结果。但是,如果LIGO与Virgo有朝一日碰巧检测到了来自恒星合并产生的引力波信号,那么其他天文学家可能就能使用其它望远镜发现引力波的来源。

    Virgo天文台

    美国宾夕法尼亚州立大学和卡迪夫大学物理学家班加罗尔·萨亚普罗卡什(Bangalore Sathyaprakash)称:“这真的为我们的同事指明了一个新方向”。萨亚普罗卡什参与了LIGO项目。对于引力波检测领域来说,进入这一新阶段是一次巨大飞跃,尤其是考虑到直到去年2月份人类才首次发现引力波,这一现象是爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明的重要部分。20世纪初,爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了所有人对于物理学的构想,把空间和时间统称为“时空”。爱因斯坦称,物体——从行星到人——都会造成其周围时空的扭曲。当这些物体移动时,它们就会产生时空中的“涟漪”,就像一艘移动的船只会在湖面产生涟漪一样,这就是所谓的引力波。

    然而,检测到这些引力波是一个极其困难的过程。例如,一个人移动产生的涟漪实在太小,以至于无法在地球上检测到。这就是科学家建立LIGO和Virgo天文台的原因,后者能够收集数百万光年外巨大星体快速移动产生的巨大波动。这些设施将寻找黑洞或中子星之间进行的激烈合并。当这些星体合并时,它们会以极高速度相互绕转,一秒内可以绕上好几次,最终合并为一个质量更大的天体。这一过程将产生极为强烈的引力波信号,以光速向四面八方扩散。

    这些引力波在向地球扩散过程中快速衰减,只能被最为精密的仪器侦测到。这时候,LIGO和Virgo天文台就会派上用场。每个设施的外形都像字幕“L”一样,拥有两条长长的真空密封隧道,两端放置了悬浮反射镜。在两道隧道的交汇处,一台分体激光器分别向两个镜面发射激光。当引力波通过时,时空就会发生扭曲,激光的传播距离就会出现轻微差异。科学家可以通过确定激光到达每个反光镜的时间来检测引力波的移动。激光路径的变化非常微小:不到一个质子宽度的千分之一。

    LIGO完成了从2016年11月30日开始的最新一轮观测周期,至少检测到了三次引力波。精度略低于LIGO的Virgo观测周期从8月1日开始,获得了足够的时间检测到8月14日的这次黑洞合并。这两个黑洞的质量分别是太阳质量的31倍、25倍,在距离地球18亿光年之外的宇宙深处相互绕转。最终,这两个黑洞合并为一个质量为太阳53倍的黑洞。

    这些黑洞极其庞大,远超LIGO科学家在开始寻找引力波时的预期。不过,这是第三次当侦测到黑洞合并时,黑洞的质量远超科学家预期。“这看起来非常普遍,”萨亚普罗卡什表示,“用不了多久,我们就能确定出这种事件发生的概率。”

    三个天文台同时检测到引力波信号所能确定的黑洞位置精度,要比两个LIGO天文台检测确定的位置高出20多倍。而且,这不但提高了信号位置的精度,还能让科学家们更好地了解引力波。三个天文台将有助于科学家更为精确地检测引力波在传播时延伸和压缩的角度。这些移动将会让科学家深入了解产生引力波信号的天体,例如,当它们在相互绕转时,其转动平面与地球观测视线之间的角度。

    现在,在检测到四次黑洞合并后,天文学界正急于知道LIGO是否能检测到中子星的合并,或者中子星与黑洞合并。但是目前,LIGO科学家还保持沉默。“我们会在适当时候讨论这一话题,”萨亚普罗卡什称,他指出,科学家们依旧在评估他们收集的数据。

    目前,三个天文台全都暂停了观测任务。在此期间,Virgo和LIGO科学家将努力让他们的检测变得更为精准。Virgo和LIGO将在2018年秋天恢复工作。一旦它们恢复观测,天文学家们希望它们能够检测到更多引力波。“在精度获得进一步提升后,我认为我们每年将能够检测到数十次这样的事件,”萨亚普罗卡什表示,“这将是一个令人激动的时代。”

    6第五次

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    2017年8月17日,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这次的中子星引力波信号。LIGO有两个探测器,分别建在相距3000公里的路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市。

    有意思的是,由于噪声污染,LIGO软件系统起初并没有在利文斯顿探测器的数据中检测到信号。幸运的是,探测器获得的数据足够清晰,促使软件随后快速确认这是一个引力波信号,并命名为GW170817。

    仅仅在LIGO观测到引力波信号后的1.7秒,美国费米太空望远镜探测到名为GRB170817A的伽马射线暴。“费米太空望远镜几乎在同一时间观测到伽马射线暴,让我们更加兴奋,也更有紧迫感。”加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授回忆说。

    LIGO和费米太空望远镜在遇到强信号时,会自动向天文界发送警报。这是一场与时间的赛跑,世界范围内的望远镜后续观测随即启动。大约11个小时后,位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信号的光学对应物——位于名为NGC4993星系的双中子星系统。

    2017年10月16日,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

    这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。

    7我国探测工程

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    中大启动中国引力波探测工程

    2016212日,广州中山大学透露,中国本土重大引力波探测工程“天琴计划”已经于20157月份正式启动,部分关键技术研究已有具体进展,目前正在立项中。

    引力波示意图引力波示意图

    据介绍,中山大学“天琴计划”是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。

    根据此前的设想,“天琴计划”主要将分四阶段实施:第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等“天琴计划”地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量;第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。完成全部四个子计划,大约需要20年的时间,投资大约150亿元。

    据了解,“天琴计划”将需要100人左右的教师团体,四五百人的研究、工程技术人员以及博士后。

    8相关问答

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    如何通俗易懂地解释下什么是引力波?

    @安静的hacker

    假如有引力波向你扑面而来,你会看到你前方的空间在上下或左右方向上时而被拉伸,时而被压缩的效果;当引力波迎面通过你,你会不断发生拉伸和压缩,你会先变高变瘦,再变矮变胖,再变高变瘦,再变矮变胖,它能帮我们洞悉整个宇宙的源头。

    @物理大叔:

    引力波常被比做石头丢进水中产生的波纹,如同宇宙中的“时空涟漪”。如果将时空看成一张大橡胶膜,用小球代替天体,当小球被放上橡胶膜时,球的质量会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁边再放一颗球,两颗球分别造成的“时空弯曲”就会让它们逐渐滚向对方。当它们互相加速运动时,产生的“涟漪”就是引力波。

    @胖子豆豆:

    再有人说我胖,就这么回答:物体质量越大,它周围的时空扭曲得越厉害,我胖是因为你质量太大,我不幸做了你的时空。

    引力波是如何产生的?

    @普吉:

    超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。

    @谢顿:

    这次探测到的引力波被证明是13亿年前两个巨大的黑洞猛烈撞击并融合所产生的。

    @中国科学院张新民&蔡一夫:

    宇宙的早期暴涨以后有一个弱电相变的阶段,在这一阶段,也会发生宇宙尺度的引力波,这个引力波的幅度很大,比暴涨阶段产生的原初引力波要容易被探测到。

    发现引力波意味着什么?

    @英国理论物理学家斯蒂芬?霍金:

    引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。

    @徐明徽:

    引力波探测的成功,将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论,这意味着时空是可以扭曲的。

    @多米:

    是不是意味着高中物理课本又要厚了?

    @魏因施泰:

    对于科学家来说,我们需要把眼睛睁得更大,引力波将让我们看到更多未曾想象的世界。

    引力波能让时空穿越成真吗?

    @杨庆海:

    主导LIGO探测引力波研究的基普?索恩,在他的科普着作《星际穿越》,中讲述了人类在观测引力波时意外发现了虫洞的设定。在《星际穿越》上映的时候,索恩预计人类会在10年之内首次实现对引力波的观测。现在,我们比索恩的估算提早了3年。

    @杏川:

    20158月底荣获雨果奖(科幻文学界的诺贝尔奖)的科幻小说《三体》中,人类用来和三体星人抗衡的武器,就是引力波发射装置。引力波在刘慈欣的小说中,能够成为通信工具的原因,是它可以轻易地穿透物体,并且不会发生任何衰变。

    @守则:

    引力波非常微弱,因此很难发射可以被接收和探测的引力波。此外,由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的,所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。

    中国的“天琴计划”还有必要进行吗?

    @LIGO成员陈雁北:

    “天琴计划”主要在空间中测量引力波。地面和空间探测引力波是不同波段,探测到的源不同,学到的知识也不同,好比用不同波段的光来探测天文一样,不同波段是不同现象,观测到的是不同的东西,本身没有矛盾。

    @李淼:

    引力波的研究对测量地球矿藏及水资源分布等有非常重要的科学意义,此外还能极大地推动激光物理和航天技术等发展。

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    • 更新时间:2017-10-22
    • 创建者:jiangmingjun
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