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读《引力波的补充说明》和留言有感

已有 1448 次阅读 2017-10-28 22:09 |个人分类:其他|系统分类:观点评述| 引力波, 电波, 磁力波

  中国的科技不要总是被别人牵引着走,

   我们要主动选择拐弯超速的道路,争取开拓更多以后可以引领全球的原始创新,并为人类带来更多福祉的领域。在有限的资源内,要充分考虑科研投入产出的综合性价比。


   万有引力,引力波没有那么神秘吧,我们真的不值得忽视对地球科学许多重大的基本的问题,甚至这些问题直接威胁到人类的生存和健康,资源的有效利用和可持续发展。反而,投入许多资源去特别关注据说是多少亿光年之外的一个微弱信号。

   


转帖:引力波的补充说明 精选

已有 1314 次阅读 2017-10-28 11:18 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦


引力波探测既让人兴奋、又让人沮丧,主要原因就在于它的信号太弱了。

到底有多弱呢?最常见的说法是,首次探测到的引力波信号只有10-21,对应于4公里长的干涉仪,其长度改变了10-18米,也就是原子大小的一亿分之一,原子核大小的千分之一。

换个说法,以地球为例。地球的直径是1万多公里,上述引力波导致的伸缩也只有10-14米,比原子核大10倍,只有原子大小的千分之一。

其实,引力波事件释放的能量是很大的,在几秒钟里释放相当于几个太阳的能量,而我们的太阳的寿命是几十亿年,当它死亡的时候仍然残留着大部分的质量。可是,因为引力波事件发生的地方离我们很远,到达地球的能量并不大。

举个具体的例子吧。最新的一次引力波事件GW170817,也是唯一的多信使天文事件,距离我们1.3亿光年,在100秒钟里释放了0.025个太阳质量。太阳质量是1.99×1030Kg,1光年是9.46×1015m,光速是2.98×108m/s。这次引力波事件释放的能量就是4.4×1045J,到达地球的能量不过是2.3×10-3J/m2,也就是每平方米2.3mJ而已。照在整个地球上,也不过是1.2×1011J,听起来很大,可是用爱因斯坦质能关系一算,仅仅对应于7.5×10-6Kg,也就是几个毫克的质量。

物体在引力波到来时就会变形——至少科普文章都是这么说的。这种变形就会导致能量发生变化——至少有些科普文章是这么说的,还有一些说不会变。这个能量变化有多大呢?我们还是以地球为例,胡乱估计一下吧。

如果把地球看作一根弹簧,10-14米的伸缩需要多少能量呢?固体材料的杨氏模量大约是1011N/m,再代入地球的尺寸,就可以得到10-3J,也就是1mJ的样子,真是微不足道。

如果考虑地球的引力能(大约是GM2/R),代入数字会得到1011J,比刚才那个数字大多了,这是因为我们这里错误地认为引力波使得地球膨胀了10-14米,其实,应该是某个方向拉伸、而另一个方向压缩——引力能的变化也是微乎其微的。

正是因为引力波带来的尺度和能量变化都非常小,所以引力波的信号才特别难以测量。

可是,伽马射线、X射线和可见光也是从那么老远的地方来的,为什么它们就可以比较容易的测量呢?难道它们携带的能量比引力波还多吗?原因不在于携带能量的多少(引力波应该占据了能量释放的绝大部分),而在于探测效率的高低。每平方米2.3mJ的能量,如果是引力波的形式,对于时空的影响就微乎其微,如果是可见光,那就意味着1016个光子,随便哪个天文望远镜都可以用上好几天的:口径1米,测量10天大约100万秒,每秒钟也会有1010个光子,这种测量真不要太简单了!

伽马射线、X射线和可见光的检测,都是因为这个原因而变得容易得多,虽然它们携带的能量远小于引力波。也正是因为这个原因,引力波探测的未来到底如何,也还不一定呢。这次报道多信使天文事件的时候,天文学家们就说了:

我们绝对不是离了引力波就玩不转的。The IPN localization capability will be especially important in the case of future gravitational-wave events that might be less well-localized by LIGO-Virgo.

LIGO对公众宣传非常重视,有专门的网站做这件事。各种新闻,各种科普,由浅而深,无所不有,甚至还有引力波导致的应变数据——此前博文里的数据就取自这里。https://losc.ligo.org/

然而,对于非项目中人来说,这些数据也没有太大的意义。因为LIGO监测的数据太多了,处理的软件想必也很复杂(我不知道有没有公开),个把人很难复现,组织一堆人吧,又没有钱。再说,即使这些应变数据也是经过处理了的,尽管有“去除噪音之前”和“去除噪音之后”的两套数据,其实都是处理过的。关于这一点,只需随便看几个数据就明白了。比如说,下面的数据取自LIGO Hanford测量的GW170814“去除噪音之前的应变数据。

-1.1484391340168715e-17 绝对值最大

-1.0047842400036762e-18

-1.1337515795858384e-19

1.0449889260034384e-20

6.0083920703713825e-21

-8.6280132598483588e-22

4.2839495372544139e-23

-3.7786104671644946e-24 绝对值最小

这些数据横跨7个数量级,有效数字保持到小数点后第16位。

呵呵,精确得吓死了个人!




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发表评论评论 (10 个评论)

[10]陆玲  2017-10-28 21:59
引力波没有那么神秘吧,我们不值得忽视对地球科学的重大的基本问题,而投入许多资源去特别关注多少亿光年之外的一个微弱信号。
[9]蒲亨建  2017-10-28 21:23
支持4楼晏成和之疑!http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3093688&do=blog&quickforward=1&id=1082802
[8]蒲亨建  2017-10-28 21:04
四楼说得好!引力波,比赵本山的忽悠还离谱。
[7]吴中祥  2017-10-28 20:45
  哈!

  任何物体间的引力都不可能产生同时的不同能态,因而,根本不可能产生任何波或辐射静止质量=0的任何粒子。

  即使地球有弹性,而能形成弹性波并辐射声波,也只是弹性力造成的,与引力无关。

     
[6]李毅伟  2017-10-28 20:08
博主似乎只是从表观分析,甚至只是出于直观判断,而并没有深入研究他们所用的数据处理方法。
博主回复(2017-10-28 20:19)没时间,也没有钱。
[5]李毅伟  2017-10-28 18:22
http://blog.sciencenet.cn/blog-315774-1082780.html
亦真亦幻(狭义相对论)——提请关注
[4]晏成和  2017-10-28 17:00
LIGO装置如此精巧、灵敏,应该首先测得地球上弥漫着的月球潮汐、太阳的引力,相对于13亿光年的信息,地球附近如此巨大的引力,必定会让精灵的仪器数据爆表,那些抬轿子者对此近小远大的解释实在是苍白。
LIGO测得的微弱的反应究竟是什么、来自哪里?值得商榷。地面万物被地球引力牢牢地固定却从来不知引力波;13亿光年的微弱信息、百万分之一纳米的晃动就能言之凿凿地说发现了引力波,的确是大言不惭。
[3]杨正瓴  2017-10-28 15:52
地球自转(Earth's rotation)也存在不规则的变化。某次不规则的地球自转突变,是否会引起多个观测站之间的近似同步的变化?地球自转突变,会引起固体潮的突变。
http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1082757.html
[2]杨正瓴  2017-10-28 13:47
3.0468e-008 量级的相对变化。
[1]杨正瓴  2017-10-28 13:43
地球固体潮的复杂变化,足以破坏对10-18米长度变化的测量。
博主回复(2017-10-28 15:11)固体潮太慢了,根本影响不了测量。




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