引力波

春節期間，最為轟動的科技新聞莫過于科學家首次探測到了引力波的存在，從而證實了愛伊斯坦百年前的預言。那么，引力波是什么？引力波的歷史發展是怎樣的？與引力波相關的專利有哪些？發現引力波意味著什么？——無論您是否真的知道“引力波”是個什么東東，它都是時下最熱的話題。中國知識產權網小編首先帶您走進捕捉到神秘莫測的引力波蹤跡的激光干涉引力波觀測臺—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各自長達四千米，并且激光在基線內反射了400次，光路總長度達到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，大約相當于一個質子半徑長度。說它是世界上最精密的探測儀器，不為過。

　　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避免干擾。在宣布發現引力波的發布會上，麻省理工的萊納·魏斯正在向媒體演示LIGO消除震動干擾的原理：高頻搖動錘擺的繩端，錘擺并不會受到干擾。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？

　　引力波也稱重力波，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時會發出電磁輻射，同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射，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原來位置，在重力（gravity force）和浮力(buoyancy force)的綜合作用下，液團會處于上下振動以達到平衡的狀態。即產生波動。引力波則是由于空間質量和速度的變化導致空間產生的波動。

　　能量來源

　　廣義相對論預言下的引力波來自于宇宙間帶有強引力場的天文學或宇宙學波源，作為以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運動的質量會產生引力波。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。

　　歷史發展

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

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

　　早在上世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在當時還在中科院力學所國家微重力實驗室工作的胡文瑞院士的推動下，中國的引力波研究才再度開啟。目前中國的引力波研究主要有兩個方向，一是中科院剛剛提出的“太極計劃”和由中山大學領銜的“天琴計劃”，這兩個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“阿里實驗計劃”，目標是在地面探測原初引力波。這是兩個完全不同的研究方向和科學目標?！?/p>

　　1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。LIGO 從 2003 年開始收集數據。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，證實了愛因斯坦100年前所做的預測，直接探測到引力波的存在，彌補了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”。

　　相關專利

　　小編登錄search.cnipr.com，發現了一些與引力波有關的專利，例如：

　　一種高頻引力波探測裝置

　　申請(專利)號： CN201320359685.X

　　摘要：

　　實用新型公開了一種高頻引力波測量裝置，包括激光器（1）、循環鏡（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）和相關器（10），其技術特征在于，激光器產生的相干光束經過半透明半反射玻璃分成兩個相干光束，由3個檢驗質量組成光學干涉儀的2個光臂，當引力波來到時，作用于光臂的激光上，改變了激光的頻率，使干涉條紋發生移動，通過光電二極管的光強發生變化，利用差分器和相關器計算光強與相位之間的關系，得到相位的變化，獲得引力波的值。光臂長一般為幾千米，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(專利)號： CN200410012718.9 　

　　摘要：

　　引力波探測裝置，屬于光測量技術領域，既利用共振效應又利用延長光路來放大引力波信號，以提高探測引力波的靈敏度。本發明兩個共振棒各自獨立地用弦絲通過其中心水平懸掛，它們的中軸線相互垂直；對應于兩個共振棒，將光纖平分為兩段，每段再折疊為N小段，1,000≤N≤1,000,000，并沿共振棒的軸線方向纏繞并固定在共振棒上，或者沿共振棒的軸線置于共振棒內，兩個共振棒上光纖的端點通過光學器件連接，整個光纖形成封閉環路。共振棒與其上的光纖一起作為共振質量，利用共振效應將引力波信號放大Q倍；同時利用光纖折疊極大地增長光信號運行的光程，積累共振棒對引力波的響應來增強探測引力波的能力，進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態測距地面模擬裝置

　　申請(專利)號： CN201310420051.5

　　摘要：

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

　　通過檢索我們還發現，引力波相關的專利申請數量并不多，其中的有效專利更是少之又少，可見在此領域專利技術還有待挖掘?！　?/p>

　　發現引力波意味著什么

　　引力波的發現意義重大，對于現代天文學而言更是尤為重要。從科學意義上看，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生于宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦發現了宇宙大爆炸時期的引力波，觀測并研究它，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。