[发明专利]引力波实验装置

说明书

本发明提出一种引力波实验装置，该发明包括激光器，以及声波源，其中，激光器的激光发射端设置有分光镜，分光镜第一光束的出射端设置有第一反射镜，分光镜第二光束的出射端设置有第二反射镜，第一反射镜与分光镜之间形成第一臂，第二反射镜与分光镜之间形成第二臂；分光镜的一侧设置有可获取探测信号的探测器，探测器与第二反射镜分设于分光镜的两侧，分光镜的第一反射镜与第二反射镜之间形成的平面内设置声波源；声波源发出模拟引力波的声波，引起第一臂和第二臂的长度变化，探测器进一步探测因第一臂和第二臂长度改变而引起的光信号。该实验装置可将引力波传播方式和探测原理通过实验装置进行演示，更直观清楚。

技术领域

本发明属于实验教学和科普教育领域，尤其涉及通过实验装置模拟及探测引力波原理的实验演示装置。

背景技术

爱因斯坦的广义相对论是近代物理学的基础，一百多年来已经在诸多前沿领域内取得了很多重要成果。其中，引力波是广义相对论最重要的预言，对检验广义相对论本身，揭示其非线性效应等方面都有很重要的意义。一直以来，对引力波的研究还主要停留在理论层面，而由于其信号极其微弱，直接进行实验探测非常困难。随着理论研究的不断深入和实验技术的快速进步，人类对引力波的直接探测也陆续展开。

从20世纪60年代开始，美国物理学家韦伯研究小组首先建成了采用圆柱形铝共振棒的探测器，这是世界上第一个引力波探测器，之后多个国家的研究结构用类似的原理建立了引力波探测器，但由于这类仪器能够达到的灵敏度较低且频带窄，未能成功探测到引力波；另一类基于前苏联科学家哥森史特因和普斯托瓦伊特在1963年提出的干涉仪原理，目前多个国家已经建成了多个激光干涉仪引力波探测器并投入运转。其中，最为典型的是美国的LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)，包括位于利文斯顿的一个臂长为4km和位于汉福德的两个臂长分别为4km和2km的激光干涉仪。2016年2月11日，科学家证实，利用升级后的Advanced-LIGO在2015年9月14日首次探测到两个黑洞合并过程中发出的引力波。通过直接实验观测证实了爱因斯坦广义相对论的最后一项预言，是物理学领域里程碑式的重大发现，开启了人类通过引力波认识宇宙的新纪元。我国也相继提出太极计划、天琴计划、阿里实验计划等大型引力波探测项目，引力波相关问题的研究需要大量青年学生的参与。

但是，目前，由于引力波相关问题理论分析的艰涩难懂，探测系统的复杂昂贵，一直以来，对引力波的研究都仅限于部分物理学家和少数研究结构小范围内，未能在其他研究者和广大学生群体内形成广泛传播和普及教育。随着引力波的首次发现，其对物理学进展的巨大推动也被逐步认识，而如何在高校教学和社会科普中开展引力波相关的知识传播，扩大其影响范围和影响力，也成了物理教学一个需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种引力波实验装置，该实验装置可将引力波传播方式和探测原理通过实验装置进行演示，更直观清楚。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种引力波实验装置，包括可发射单色光的激光器，以及可模拟引力波源的声波源，其中，激光器的发射端设置有分光镜，分光镜将激光光束分为与激光光束平行以及与激光光束垂直的两束光，其中与激光光束平行的分束光为第一光束，与激光光束垂直的分束光为第二光束，分光镜第一光束的出射端设置有第一反射镜，分光镜第二光束的出射端设置有第二反射镜，第一反射镜与分光镜之间形成第一臂，第二反射镜与分光镜之间形成第二臂；分光镜的一侧设置有可获取探测信号的探测器，探测器与第二反射镜分设于分光镜的两侧，分光镜的第一反射镜与第二反射镜之间形成的平面内设置声波源；声波源发出模拟引力波的声波，引起第一臂和第二臂的长短变化，探测器进一步检测因第一臂和第二臂的臂长变化而引起的光信号。

作为本发明的进一步优化，声波源为间隔设置的两个具有磁性力的球面声源体，声源体的底部设置有底座，底座内嵌有磁悬浮线圈，以将声源体悬浮于底座上；底座的底部连接有电机，以驱动底座圆周运动。