引力波

春節期間，最為轟動(dòng)的科技新聞莫過(guò)于科學(xué)家首次探測到了引力波的存在，從而證實(shí)了愛(ài)伊斯坦百年前的預言。那么，引力波是什么？引力波的歷史發(fā)展是怎樣的？與引力波相關(guān)的專(zhuān)利有哪些？發(fā)現引力波意味著(zhù)什么？——無(wú)論您是否真的知道“引力波”是個(gè)什么東東，它都是時(shí)下最熱的話(huà)題。中國知識產(chǎn)權網(wǎng)小編首先帶您走進(jìn)捕捉到神秘莫測的引力波蹤跡的激光干涉引力波觀(guān)測臺—LIGO，去一探究竟?！　　?/p>

　　美國華盛頓州漢福德的激光干涉引力波觀(guān)測臺（LIGO），由加州理工和麻省理工合作建造，另外一臺在路易斯安那列文斯頓。

　　相互垂直的兩條激光干涉基線(xiàn)各自長(cháng)達四千米，并且激光在基線(xiàn)內反射了400次，光路總長(cháng)度達到1600千米，即使這樣，這次探測到的引力波振幅也僅僅只有10的負21次方，大約相當于一個(gè)質(zhì)子半徑長(cháng)度。說(shuō)它是世界上最精密的探測儀器，不為過(guò)。

　　正因為引力波是如此微弱，建在地上的LIGO需要極其精妙的設計來(lái)避免干擾。在宣布發(fā)現引力波的發(fā)布會(huì )上，麻省理工的萊納·魏斯正在向媒體演示LIGO消除震動(dòng)干擾的原理：高頻搖動(dòng)錘擺的繩端，錘擺并不會(huì )受到干擾。順便提一句，這位老教首先提出了使用激光干涉來(lái)探測引力波的原理，是LIGO的理論之父。

　　什么是引力波？

　　引力波也稱(chēng)重力波，引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以行進(jìn)波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時(shí)會(huì )發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時(shí)就會(huì )發(fā)出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。

　　引力波與流體力學(xué)中的重力波很相似，當液體表面或內部液團由于密度差異離開(kāi)原來(lái)位置，在重力（gravity force）和浮力(buoyancy force)的綜合作用下，液團會(huì )處于上下振動(dòng)以達到平衡的狀態(tài)。即產(chǎn)生波動(dòng)。引力波則是由于空間質(zhì)量和速度的變化導致空間產(chǎn)生的波動(dòng)。

　　能量來(lái)源

　　廣義相對論預言下的引力波來(lái)自于宇宙間帶有強引力場(chǎng)的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源，作為以波動(dòng)形式和有限速度傳播的引力場(chǎng)。按照廣義相對論，加速運動(dòng)的質(zhì)量會(huì )產(chǎn)生引力波。包括銀河系內的雙星系統（白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星），河外星系內的超大質(zhì)量黑洞的合并，脈沖星的自轉，超新星的引力坍縮，大爆炸留下的背景輻射等等。

　　歷史發(fā)展

　　20世紀60年代，美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯（Joseph Weber）首先提出了一種共振型引力波探測器。1968年，韋伯宣稱(chēng)他探測到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng)，但是后來(lái)的重復實(shí)驗都一無(wú)所獲。

　　雖然引力輻射并未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著(zhù)的“間接”證據支持它的存在。最著(zhù)名的是對于脈沖星（或稱(chēng)波霎）雙星系統PSR1913+16的觀(guān)測。自1974年，泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫爾斯（Russell Alan Hulse）對這個(gè)雙星系統的軌道進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間的觀(guān)測，在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實(shí)驗行到觀(guān)察值為（3.2±0.01）×10 ^-12，與理論計算值在誤差范圍內正好符合。這可以說(shuō)是引力波的第一個(gè)定量證據。泰勒和赫爾斯也因這項工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

　　早在上世紀70年代，中國科學(xué)家就開(kāi)始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在當時(shí)還在中科院力學(xué)所國家微重力實(shí)驗室工作的胡文瑞院士的推動(dòng)下，中國的引力波研究才再度開(kāi)啟。目前中國的引力波研究主要有兩個(gè)方向，一是中科院剛剛提出的“太極計劃”和由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”，這兩個(gè)計劃都是要去太空探測引力波；二是由中科院高能物理研究所主導的“阿里實(shí)驗計劃”，目標是在地面探測原初引力波。這是兩個(gè)完全不同的研究方向和科學(xué)目標?！?/p>

　　1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(huì )（NSF）的資助下，開(kāi)始聯(lián)合建設“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。LIGO 從 2003 年開(kāi)始收集數據。它是全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。2016年2月11日，LIGO宣布，于2015年9月14日首次探測到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦100年前所做的預測，直接探測到引力波的存在，彌補了愛(ài)因斯坦廣義相對論實(shí)驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”。

　　相關(guān)專(zhuān)利

　　小編登錄search.cnipr.com，發(fā)現了一些與引力波有關(guān)的專(zhuān)利，例如：

　　一種高頻引力波探測裝置

　　申請(專(zhuān)利)號： CN201320359685.X

　　摘要：

　　實(shí)用新型公開(kāi)了一種高頻引力波測量裝置，包括激光器（1）、循環(huán)鏡（2）、半透明半反射玻璃（3）、相位調節器（4）、反射鏡（5）、相位調節器（6）、反射鏡（7）、光電二極管（8）、差分器（9）和相關(guān)器（10），其技術(shù)特征在于，激光器產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過(guò)半透明半反射玻璃分成兩個(gè)相干光束，由3個(gè)檢驗質(zhì)量組成光學(xué)干涉儀的2個(gè)光臂，當引力波來(lái)到時(shí)，作用于光臂的激光上，改變了激光的頻率，使干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)光電二極管的光強發(fā)生變化，利用差分器和相關(guān)器計算光強與相位之間的關(guān)系，得到相位的變化，獲得引力波的值。光臂長(cháng)一般為幾千米，高頻引力波(10Hz一10kHz)是高頻引力波測量裝置最敏感的頻帶。

　　引力波探測裝置　

　　申請(專(zhuān)利)號： CN200410012718.9 　

　　摘要：

　　引力波探測裝置，屬于光測量技術(shù)領(lǐng)域，既利用共振效應又利用延長(cháng)光路來(lái)放大引力波信號，以提高探測引力波的靈敏度。本發(fā)明兩個(gè)共振棒各自獨立地用弦絲通過(guò)其中心水平懸掛，它們的中軸線(xiàn)相互垂直；對應于兩個(gè)共振棒，將光纖平分為兩段，每段再折疊為N小段，1,000≤N≤1,000,000，并沿共振棒的軸線(xiàn)方向纏繞并固定在共振棒上，或者沿共振棒的軸線(xiàn)置于共振棒內，兩個(gè)共振棒上光纖的端點(diǎn)通過(guò)光學(xué)器件連接，整個(gè)光纖形成封閉環(huán)路。共振棒與其上的光纖一起作為共振質(zhì)量，利用共振效應將引力波信號放大Q倍；同時(shí)利用光纖折疊極大地增長(cháng)光信號運行的光程，積累共振棒對引力波的響應來(lái)增強探測引力波的能力，進(jìn)一步放大引力波信號，極大地提高探測靈敏度。

　　一種高精度雙星激光干涉動(dòng)態(tài)測距地面模擬裝置

　　申請(專(zhuān)利)號： CN201310420051.5

　　摘要：

　　本發(fā)明提供了一種高精度雙星激光干涉動(dòng)態(tài)測距地面模擬裝置，至少包括：隔振系統，用于將外界的震動(dòng)噪聲進(jìn)行隔離與過(guò)濾，降低系統的震動(dòng)噪聲；真空系統，用于降低系統因溫度波動(dòng)所帶來(lái)的熱噪聲；光源系統，用于提供2束高穩定性、高穩頻的激光；干涉儀，用于產(chǎn)生三路等臂長(cháng)外差式干涉信號，實(shí)現衛星軌道游離運動(dòng)信息與由引力波或重力場(chǎng)等引起的科學(xué)信號信息的模擬；第一平移系統，用于由引力波或重力場(chǎng)等引起的模擬科學(xué)信號；第二平移系統，用于模擬衛星軌道游離信號；相位檢測系統，用于對干涉信號進(jìn)行相位檢測；對相位信息進(jìn)行采集，并反演位移；數據分析系統，用于評估干涉系統的動(dòng)態(tài)測距精度，并從混和信號中提煉出科學(xué)信號。本發(fā)明能夠實(shí)現高精度雙星激光干涉動(dòng)態(tài)測距的地面模擬。

　　通過(guò)檢索我們還發(fā)現，引力波相關(guān)的專(zhuān)利申請數量并不多，其中的有效專(zhuān)利更是少之又少，可見(jiàn)在此領(lǐng)域專(zhuān)利技術(shù)還有待挖掘?！　?/p>

　　發(fā)現引力波意味著(zhù)什么

　　引力波的發(fā)現意義重大，對于現代天文學(xué)而言更是尤為重要。從科學(xué)意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸中，這就是說(shuō)大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦發(fā)現了宇宙大爆炸時(shí)期的引力波，觀(guān)測并研究它，就可以揭開(kāi)宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開(kāi)端和運行機制。