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引力波的预言

文件:牛顿.jpg

艾萨克·牛顿爵士

阿尔伯特·爱因斯坦可能是世界上最出名的科学家了。虽然这些荣誉是他应得的，但是爱因斯坦的理论很大一部分是基于其他伟大的科学家，被称为现代物理学之父的艾萨克·牛顿爵士，就是其中之一。

牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。

其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。

这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。

根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。

在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。

虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。

探测引力波

引力波存在的间接证据

阿雷西博射电望远镜全景照片

引力波存在的最初证据来自于 1974 年 Arecibo 观测站的天文学家们对沿轨道互绕对方运行的两个星体的观测结果。研究人员在对这些星体进行了多年的观测后，发现星体绕对方运行的周期在慢慢地减短。

科学家小约塞夫·泰勒和拉赛尔·赫尔斯猜测双星运行周期的变化是由于引力波的产生导致了能量的损失。他们用数学方法得的双星运行周期的变化量正好符合天文学家们的观测结果。1993 年泰勒和赫尔斯因此而获得了诺贝尔物理学奖。

赫尔斯和泰勒的获奖工作来源于在世界上最大的射电望远镜所探测到的无线电信号。该望远镜位于 Puerto Rico 的 Arecibo 观测所。

数据分析

电脑是如何分析数据的？

两个 LIGO 探测器和 GEO 600，分别进行各自的数据采集。为了从所有这些海量的数据中找出引力波信号，需要将数据分成可以被个人计算机处理的小集合。

每台计算机总是取得特定时间段特定天空区域的数据，同时被发送到计算机的还有科学家们假想的相应区域的脉冲星信号模型。一般认为脉冲星信号应该是下图所示的正弦波。

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数据分析

正弦波是方程 y=sin(x) 的曲线图。一个正弦波有固定的振幅（从波峰顶部到中心线的距离）和波长（波峰的间距）。

如上图所示的周期性的波，称之为周期波。除了振幅和波长，周期波有其固有的频率。波的频率是在一秒钟内波的前进方向上完整波长的个数。引力波信号看起来象正弦波，但随信号源不同具有不同的频率。

每台计算机所接收到的数据均是一个复杂的波形，所以计算机首先将数据进行一次傅立叶变换。傅立叶变换类似于一种拼图游戏，在您的面前摆放着由一幅完整的图画分割成的许多小模块，您可以将他们分区域的拼凑成原来完整的图画。傅立叶变换也是这样子的，但是它是依照波形的来分割的，它能将一个完整的波分成许多更小的正弦波，每个小正弦波都具有不同的频率。

当计算机将信号分成一个个不同频率的正弦波后，计算机就会将脉冲星信号模型与通过傅立叶变换所得到的正弦波进行比较。如果匹配，您的计算机就会向中心服务器发回一个消息，那么这个数据将被分配给另外两台计算机分析，如果这三台计算机的分析结果相同，研究人员就会对这个数据进行更深一步的分析，看看信号到底是由引力波产生的还是由局部干扰引起的。当然，他们会通过与其它观测站的数据进行比较以确定是否是局部干扰。

如果您的分析结果与模型不匹配，您的计算机也会向中心服务器发回一个消息，那么这个数据将再分配给至少一台计算机分析，如果还是不匹配，那么这个数据将不会再被分析了。

这个分析需要大量的计算机进行处理，这就是为什么我们急切地需要您的帮助的原因！

LIGO 和 GEO 600 探测器

LIGO 和 GEO 600是用来测量引力波即时空结构中的波动的工具。引力波非常难以测量，因为当他们到达地球的时候已经变得非常弱了。

LIGO 和 GEO 600通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。

这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度，是与激光传播的距离成比例的。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相当大。