带着星际母舰穿越,引力波是什么东西

带着星际母舰穿越，引力波是什么东西？

一、什么是引力波？

2016年2月11日LIGO合作组宣布首次直接探测到来自遥远宇宙中的引力波(图1)，一时在网上引起一股“引力波热”。从爱因斯坦的广义相对论预言引力波的存在至今已经有100年了，这一划时代的发现绝对是送给广义相对论最好的生日礼物了。然后，外行看热闹，内行看门道，这个大家口中的“引力波”到底是什么鬼呢？让我们从一个比较简单的图像说起。

图1，两个正在并和的黑洞产生的引力波(版权归LIGO/MIT/Caltech所有)

我们都知道，波(或者波动)是我们生活中一种很常见的现象，如水波、声波、电磁波等。和常见的波现象相比，引力波在广义相对论中是以四维时空结构的扰动向外传播能量的方式存在的。三维的物体对于我们是比较直观的，而四维时空无非就是加上时间箭头，要我们把时间和空间统一起来看 (图2)。

这样，整个宇宙的时空结构就呈现4个维度的“网” (注意：这里只是用二维的“网”去类比时空结构，不能认为时空就是一张二维平面的网。)，平直的时空就像平静的湖面一样非常的安静(图3)。然而，大质量天体之间的并合过程会对周围的时空造成极大的扰动，这种扰动会以波动的形式向外传播能量，较远的平直时空结构也会收到影响而留下时空的“涟漪”(图4)。

这就是广义相对论中所描述的引力波，是不是很酷呀？

图2，时间和空间是密不可分的，有质量的物体会对周围的时空结构造成影响

图3，平直时空就像平静的湖面一样恬静优美，但大质量天体周围的时空是弯曲的

图4，正在靠近并相互绕转的大质量天体会对时空造成较大扰动，会以引力波的形式向外辐射能量

二、天上的引力波源有哪些？

并不是只要有大质量天体就能辐射出引力波，引力波产生的条件是系统具有“四极矩”，与电磁辐射的偶极矩有很大区别(图5)。这样的话，一些极为对称的独立源(如单黑洞、对称的致密星)就不能释放引力波，因为它们的引力场只具有“偶极矩”。

图5，偶极的电磁辐射对比四极的引力辐射(转自《A Review of the Universe》)

现在理论上预言的引力波源有这么一些：

1. 致密双星系统。

旋进(in-spiral)或者正在合并(merger, ring-down)的致密双星系统(黑洞、中子星、白矮星或者夸克星)是非常常见的引力波源，LIGO首次找到的引力波就是这种源产生的。双星系统可以是恒星质量的致密双星(图6)，也可以是星系中心的超大质量双黑洞，振幅和频率的范围跨度很大。

图6，致密双星系统的并合过程(转自LSC - LIGO Scientific Collaboration)

2. 快速旋转的非球对称致密星。

非对称性对应的角动量会随着自转向外进行引力辐射，这种不对称性越显著，引力波的能力就越强。举个例子来说，好比中子星表面长了一座“山”，星体的自转会使这座山逐步变平让自己趋于球对称，这一过程当然会产生引力波(图7)。

图7，非球对称的中子星所产生的引力波(转自LSC - LIGO Scientific Collaboration)

3. 超新星或者伽玛射线暴。

这两种现象都是大质量恒星死亡时极为绚烂的“乐章”，爆发时星体大量物质被抛射出去的不对称性也会导致引力波的释放(图8)，并伴随有可以预期观测到的电磁辐射对应体。

图8，超新星或伽玛暴过程也会产生引力波(版权归NASA所有)

4. 宇宙早期的暴涨(Inflation)留下的原初引力波背景。

宇宙大爆炸理论中描述的早期暴涨过程，时空结构会产生剧烈的突变， 产生的引力波会一直存在于宇宙中，作为背景留在天上各个位置。由于过得自宇宙诞生至今的时间太久远，这种引力波背景的强度也变得非常微弱，频率非常低 。

图9，暴涨过程留下的原初引力波(版权归BICPE2所有)

三、怎样探测引力波？

引力波的“四极辐射”性质使其相比于传统的偶极辐射微弱得多，探测难度的难度可想而知。由于在平直时空中光所走的路径是直线，而在弯曲时空中光所走的路径相对于平直时空是有所不同的，这种极为微小的差异体现在传播路径距离或者信号传播需要的时间上面。因此，引力波探测最基本的原理的就是测量出引力波经过时，光信号(或电磁信号)传播路径上，距离或者时间的微小变化。

目前用于搜寻引力波的探测手段主要有这几种：激光干涉仪(Advanced LIGO, VIRGO, LISA, eLISA等)，脉冲星测时阵列(Pulsar Timing Array)，宇宙微波背景辐射的B模式偏振等。

1. 激光干涉仪(Laser Interfeometer)

激光干涉的方法源自迈克尔逊干涉仪。迈克尔逊干涉仪的基本原理就是把激光分光，然后让这两束光做相干干涉，得到干涉条纹。这种干涉条纹的位置和间距对激光传播距离非常敏感，如果有引力波经过，这种极为微弱的距离变化可以在多次反射的激光干涉后捕捉出来(图10)。

图10，迈克尔逊干涉仪光路图

地面上的引力波探测器LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) (图11)的设计思路是调整臂长为4公里的这个超级迈克尔逊干涉仪的激光传输距离，使被分光的两束反射光和透射光在探测器那里产生相消干涉，也就是在没有引力波经过的时候，探测器是没有干涉条纹的。当引力波经过时，两条长臂的距离一条增大，另一条减小，干涉条纹出现，就达到了探测的目的。

图11，LIGO探测器汉福德站(Hanford)全景图(版权归LIGO所有)

空间的引力波探测器LISA (Laser Interferometer Space Antenna) 是一个等边三角形的激光干涉仪(图12)，臂长500公里，与地球同步绕日公转。这样的设计构造非常优美，如同宇宙的琴弦一样。空间卫星的有点在于可以有效避免地面上的干扰，缺点就是造价昂贵，发射的成本高。因此，一个小LISA(eLISA，臂长100公里)项目暂时取代已经由于经费不足搁置的大LISA项目，正在准备中。没钱造大三角板，我们可以先从小的玩起嘛。

图12，LISA引力波探测卫星的设计图(版权归LISA所有)

2. 脉冲星测时阵列(Pulsar Timing Array)

不一定只能通过测距的办法来捕捉引力波经过时留下的“痕迹”，也可以通过长时间的计时去搜寻引力波引起的时空变化。“绳锯木断，滴水石穿”说的就是这种名为脉冲星测时阵列(PTA)的探测手段。

脉冲星，尤其是毫秒脉冲星(自转周期在毫秒量级)，是一种非常稳定的“钟”，当来自遥远星系的引力波经过地球或者太阳系周围时，这些“钟”传到我们望远镜的脉冲信号会有时间上微小的变化，找出这种与之前计时的模板的微小差异，就可以捕捉到引力波的信息。由于脉冲星到我们大概有上千光年的距离，这种探测手段可以很好的把波长为光年量级的引力波找出来，但这需要人们对很多颗毫秒脉冲星做多年的计时观测，才能达到探测要求。

PTA是一个很容易用围棋去类比的东西， 在这个时空的“棋盘”上，不同方位的脉冲星相当于在不同位置下的“棋”，控制住这块引力波经过的“实地”会帮助我们围住所想要的引力波信息。

图13，脉冲星测时阵(PTA)的设计构想(版权归D.Champion/MPIfR所有)

3. 宇宙微波背景辐射的B模式偏振(CMB B-mode Polarization)

宇宙大爆炸理论要求存在一个名为“暴涨”的时期，非常短暂，但这期间宇宙的尺度发生指数式的增长，这种剧烈的变化会以原初引力波的形式存在于现在的宇宙各处。理论学家经过一系列复杂的计算发现原初引力波会与宇宙微波背景辐射发生作用，在其B模式偏振光中留下“足迹”，测量这种模型的微波背景偏振，就可以间接证明原初引力波的存在(图9)。

主要用的设备当然是射电或远红外的望远镜，如坐落于南极的BICEP1, BICEP2, BICEP3望远镜，还有即将在我国西藏阿里地区开展的Ali CMB项目。BICEP2在2014年初得到的原初引力波结果因为Planck卫星公布银河系尘埃辐射分布，无法排除该区域银河系尘埃对B模式偏振所造成的影响而夭折了。即便如此，新的设备和项目正在酝酿，相信不久之后会有更新的发现。越好的科学需要越沉得住气的耐心，原初引力波正是如此。

四、开启引力波窗口的重要意义？

电磁波是电场和磁场在空间中传播能量的形式，而引力波则是引力场在时空中传播能量的形式。这两者本质上不同，但对于人类认知世界都有极为重要的影响 。

电磁波自英国科学家麦克斯韦1865年提出到1887年第一次被德国物理学家赫兹用实验证实只用了20多年时间，而引力波从提出到首次发现用了将近一个世纪，这种划世纪的等待往往意味着更为重要的科学会应运而生。我们知道直到现在，引力还是很难跟其他三种基本相互作用(强、弱、电磁相互作用)一起用一套统一的理论去描述，而引力波的发现会让这一切充满各种可能性。新现象？还是新物理？都是令人期待的。

如果说电磁波让人类拥有了一双可以欣赏神秘而美丽的宇宙的“千里眼”(图14)，那么引力波则是让人类拥有一对可以倾听波澜壮阔的宇宙的“顺风耳”(图15)。

图14，电磁波谱和不同波段下星系的图像(转自Education and outreach collections from the University of Chicago)

图15，引力波谱上对应的引力波源和探测手段(版权归J.I.Thorpe/NASA所有)

随着LIGO探测器第一例引力波事件(GW150914)的发现(图16)，人类算是刚刚打开引力波天文学这一扇新的科学窗口，未来会有什么新的发现，让我们拭目以待。

图16，人类第一次直接探测到引力波，LIGO的GW150914 (B.P.Abbott et al. 2016)

（来源知乎）

如果出现超级战斗机？

如果出现超级战机，航程可达1万公里，还需要航母吗？小兵认为需要。即使飞机拥有一万公里的航程，那作战半径顶多5000公里，依然做不到真正得全球打击。想要执行远程打击任务，同样得依赖基地、航母等“中转站”。尼米兹级航母

话说回来，题主只说到超级战斗机，并未考虑到超级航母的可能性。你是否注意过科幻片中的“飞天航母”？兴许未来的航母真如科幻片中所描述那样，可以像飞机一样飞行，并能做到视觉隐形。只要引擎足够给力，板砖都能飞上天，更何况航母？要是航母都能“飞天”，是否还需要战机拥有1万公里的航程？显然多此一举。未来“飞天航母”有可能成为现实

航母是与战机存在本质区别的系统。在传统航母理念中，战机是载具，航母是载台，航母是为服务战机在海上起降而生的。从这个意义上来说，战机比航母更重要。但必须注意的是，航母除了供战机起降外，还肩负着更大的使命，那就是海上指挥中心。战机哪怕性能再先进，也仅仅是一架战机，犹如擅长单打独斗的勇士，但永远成不了元帅。航母作为一个平台，一个中心，更多承担着统筹资源、分划职能、分配任务以及统领整支航母战斗群的任务，绝非一架战机能够替代。航母是编队的核心美军航母战斗群

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星际1人族一开始怎么发展？

在不影响造兵情况下农民越多越好。人族初期烂，所以农民要适当多造，具体要看地图，一般fastestpossible16个，biggamehunter20个或更多，第一个造兵营或房子，这是习惯问题。打神族告诉你啊！

人打神有两个打法，一个是速度战，一个是持久战1.一出来造满10个人口农民，然后一个人口，出8个机枪（当然越多越好，但是注意时间）就去打，很容易就赢拉（前提是不造防御塔，如果早了请使用第二种方法），理由是机枪一个50，狂徒一个100，他要是跟你抗衡也差不多出8个狂徒(再说他也不可能把农民弄来跟你打，要真这样8个机枪打他们跟玩一样），你花400能办到的事他要800。

2.一出来先不造太多东西，先发展科技（有点能保老家的兵就行拉），等到能出机器人就狂出机器人（建议坦克营在4个以上并且保持全面运转，并且保证有充足的矿和天然气，最好多开几个）。

先出一队坦克（一是为了保老家，二是为了打防御塔），然后就狂造机器人（建议，学会防空，以免他用航空母舰）。

先用雷达看一眼他的部署，要是门口有防御塔就先把兵力都派到一个防御塔打不着但是能随时进攻的一个地方，坦克当然要在最前头先把塔炸烂，然后你的机器人就冲拉！只要他没有航空母舰和大批的防御塔就几乎是无敌拉。

如果他狂造塔初航母你要配合飞机火力支援。人打神可以看视频学：

哪个电影设定的外星人形象最让你满意？

你好，很高兴回答这个问题。近些年科技电影特别发达，人们对外星人也是越来越感兴趣，电影对于外星生物的题材也是越来越多了。今天我就给他家分享一下我所整理下来的几部外星题材电影。希望大家喜欢。

第一部：2011年《保罗》：讲述了英国旅客前往美国51区，却碰到外星人的故事。

第二部：2009年《阿凡达》：讲述了未来世界，人类为取得潘多拉星球的资源，开启了阿凡达计划，当地纳美族人为保护家园与人类展开斗争的故事。

第三部：

2005年《银河系漫游指南》：讲述了亚瑟·登特在地球即将被毁灭的最后一刻，在他最好的外星人朋友的帮助下跳进了一艘宇宙飞船，从此开始了奇幻的星际之旅的故事。

第四部：2000年《火星任务》：讲述了人类首次载人火星探测计划突发事故，一支救援队前去救援的故事。

第五部：1997年《黑衣人》：讲述了由于宇宙战乱不断，大批外星人纷纷到地球避难，黑衣人作为专门对付外星人的特殊警察，致力于阻止邪恶的外星人对地球采取的秘密入侵和破坏的计划。

第六部：1997年《第五元素》：讲述了人类复原第五元素，并派出前特工柯本协助，最终将恶势力摧毁拯救了人类的故事。

第七部：1982年《外星人E.T.》：讲述小男孩艾里奥特与外星人建立的纯真友谊的故事。

第八部：1979年《异形》系列：讲述了人类与异形之间战斗的故事。

感谢的朋友可以关注我，一起讨论。感谢大家

地球自转与公转的力从何而来？

自从形成之日起至今，地球的自转和公转已经持续了46亿年。不过，地球的持续自转和公转并不是因为被什么力一直推动着，而是因为角动量守恒。

太阳系在还没有形成时，只是一团弥漫在宇宙空间中的星云。星云中的粒子在运动过程中会互相碰撞，它们的角动量会互相抵消。虽然角动量在各个方向上有刚好完全抵消的可能，但更有可能的情况是，在某一个方向上，角动量多余出来，没有被完全抵消，所以星云中的粒子就会沿着大致某一方向旋转。

在万有引力的作用下，绝大部分星云向中心收缩，星云变得扁平化，最终在中心形成了太阳。剩余少部分星云继续围绕太阳旋转，它们互相碰撞，最终形成了太阳系中的各种天体，其中就包括地球。

由于角动量守恒，地球会继承来自原始星云的角动量，所以地球本身会自转，并且也会绕着太阳旋转。又由于太空基本上是真空环境，几乎没有阻力作用，地球的自转和公转角动量损失很小，所以地球能够持续自转和公转长达数十亿年，并且在未来还会继续维持下去。

至于太阳星云的角动量最初由来，这要追溯到138亿年前的宇宙大爆炸。宇宙在最初几分钟合成了如今宇宙的所有物质来源，并且角动量也都是来自于那时。