引力波

春节期间，最为轰动的科技新闻莫过于科学家首次探测到了引力波的存在，从而证实了爱伊斯坦百年前的预言。那么，引力波是什么？引力波的历史发展是怎样的？与引力波相关的专利有哪些？发现引力波意味着什么？——无论您是否真的知道“引力波”是个什么东东，它都是时下最热的话题。中国知识产权网小编首先带您走进捕捉到神秘莫测的引力波踪迹的激光干涉引力波观测台—LIGO，去一探究竟。　　　

　　美国华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台（LIGO），由加州理工和麻省理工合作建造，另外一台在路易斯安那列文斯顿。

　　相互垂直的两条激光干涉基线各自长达四千米，并且激光在基线内反射了400次，光路总长度达到1600千米，即使这样，这次探测到的引力波振幅也仅仅只有10的负21次方，大约相当于一个质子半径长度。说它是世界上最精密的探测仪器，不为过。

　　正因为引力波是如此微弱，建在地上的LIGO需要极其精妙的设计来避免干扰。在宣布发现引力波的发布会上，麻省理工的莱纳·魏斯正在向媒体演示LIGO消除震动干扰的原理：高频摇动锤摆的绳端，锤摆并不会受到干扰。顺便提一句，这位老教首先提出了使用激光干涉来探测引力波的原理，是LIGO的理论之父。

　　什么是引力波？

　　引力波也称重力波，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，是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式。如同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。

　　能量来源

　　广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，作为以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。

　　历史发展

　　20世纪60年代，美国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。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。

　　虽然引力辐射并未被清清楚楚地“直接”测到，然而已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星（或称波霎）双星系统PSR1913+16的观测。自1974年，泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫尔斯（Russell Alan Hulse）对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测，在1980年，他们也是采用精密的射电仪器，由实验行到观察值为（3.2±0.01）×10 ^-12，与理论计算值在误差范围内正好符合。这可以说是引力波的第一个定量证据。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

　　早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究，但由于种种原因停滞了十几年，造成了人才断层。直到2008年，在当时还在中科院力学所国家微重力实验室工作的胡文瑞院士的推动下，中国的引力波研究才再度开启。目前中国的引力波研究主要有两个方向，一是中科院刚刚提出的“太极计划”和由中山大学领衔的“天琴计划”，这两个计划都是要去太空探测引力波；二是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，目标是在地面探测原初引力波。这是两个完全不同的研究方向和科学目标。　

　　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 从 2003 年开始收集数据。它是全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测所。2016年2月11日，LIGO宣布，于2015年9月14日首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的预测，直接探测到引力波的存在，弥补了爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

　　相关专利

　　小编登录search.cnipr.com，发现了一些与引力波有关的专利，例如：

　　一种高频引力波探测装置

　　申请(专利)号： CN201320359685.X

　　摘要：

　　实用新型公开了一种高频引力波测量装置，包括激光器（1）、循环镜（2）、半透明半反射玻璃（3）、相位调节器（4）、反射镜（5）、相位调节器（6）、反射镜（7）、光电二极管（8）、差分器（9）和相关器（10），其技术特征在于，激光器产生的相干光束经过半透明半反射玻璃分成两个相干光束，由3个检验质量组成光学干涉仪的2个光臂，当引力波来到时，作用于光臂的激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，通过光电二极管的光强发生变化，利用差分器和相关器计算光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得引力波的值。光臂长一般为几千米，高频引力波(10Hz一10kHz)是高频引力波测量装置最敏感的频带。

　　引力波探测装置　

　　申请(专利)号： CN200410012718.9 　

　　摘要：

　　引力波探测装置，属于光测量技术领域，既利用共振效应又利用延长光路来放大引力波信号，以提高探测引力波的灵敏度。本发明两个共振棒各自独立地用弦丝通过其中心水平悬挂，它们的中轴线相互垂直；对应于两个共振棒，将光纤平分为两段，每段再折叠为N小段，1,000≤N≤1,000,000，并沿共振棒的轴线方向缠绕并固定在共振棒上，或者沿共振棒的轴线置于共振棒内，两个共振棒上光纤的端点通过光学器件连接，整个光纤形成封闭环路。共振棒与其上的光纤一起作为共振质量，利用共振效应将引力波信号放大Q倍；同时利用光纤折叠极大地增长光信号运行的光程，积累共振棒对引力波的响应来增强探测引力波的能力，进一步放大引力波信号，极大地提高探测灵敏度。

　　一种高精度双星激光干涉动态测距地面模拟装置

　　申请(专利)号： CN201310420051.5

　　摘要：

　　本发明提供了一种高精度双星激光干涉动态测距地面模拟装置，至少包括：隔振系统，用于将外界的震动噪声进行隔离与过滤，降低系统的震动噪声；真空系统，用于降低系统因温度波动所带来的热噪声；光源系统，用于提供2束高稳定性、高稳频的激光；干涉仪，用于产生三路等臂长外差式干涉信号，实现卫星轨道游离运动信息与由引力波或重力场等引起的科学信号信息的模拟；第一平移系统，用于由引力波或重力场等引起的模拟科学信号；第二平移系统，用于模拟卫星轨道游离信号；相位检测系统，用于对干涉信号进行相位检测；对相位信息进行采集，并反演位移；数据分析系统，用于评估干涉系统的动态测距精度，并从混和信号中提炼出科学信号。本发明能够实现高精度双星激光干涉动态测距的地面模拟。

　　通过检索我们还发现，引力波相关的专利申请数量并不多，其中的有效专利更是少之又少，可见在此领域专利技术还有待挖掘。　　

　　发现引力波意味着什么

　　引力波的发现意义重大，对于现代天文学而言更是尤为重要。从科学意义上看，引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波，观测并研究它，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制。