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引力波

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  英文:(gravitational wave),台湾学界称为重力波,英文中有时也写作 gravity wave;但更多场合中,gravity wave是留给地球科学与流体力学中另一种性质迥异的波动。关于万有引力的本质是什么,牛顿认为是一种即时超距作用,不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动,称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼,指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。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。
  引力波的存在而且也真的无所不在,是广义相对论中一项毫不模糊的预言。所有目前相互竞争而且被“认可”的重力理论(认可:与现前可得一切证据能达到相当准确度的相符)所预言的引力辐射特质即各有千秋;而原则上,这些预言有时候和广义相对论所预言的相差甚远。但很不幸地,现在要确认引力辐射的存在性就已相当具有挑战性,更不用说要研究它的细节。

引力波的基础理论编辑本段回目录

  线性爱因斯坦方程
  广义相对论预言下的引力波是以波形式传播的时空扰动,被形象地称为“时空涟漪”(Ripples in Spacetime)[11]。广义相对论下的弱引力场可写作对平直时空的线性微扰:(以下采用自然单位,引力常数G = 光速c = 1)
  <IMG class=tex alt="g_{alpha beta} = eta_{alpha beta} h_{alpha beta}," src="http://upload.wikimedia.org/math/c/e/0/ce0b6c1d7d5eed28fbd54d8835985d84.png">,其中<IMG class=tex alt="|h_{alpha beta}|<<1," src="http://upload.wikimedia.org/math/8/1/8/818bfe08bc54d77cbb1626acd4ff6382.png">
  这里<IMG class=tex alt="eta_{alpha beta} = diag(-1, 1, 1, 1)," src="http://upload.wikimedia.org/math/a/5/1/a51033029f4dac14964bdfcfeab97fbc.png">是平直时空的闵可夫斯基度规,是弱引力场带来的微扰。在这个度规下计算得到的
  黎曼张量为
  <IMG class=tex alt="R_{alpha beta mu nu} = fracleft( partial_mu partial_beta h_{alpha nu} - partial_mu partial_alpha h_{beta nu} partial_nu partial_alpha h_{beta mu} - partial_nu partial_beta h_{alpha mu} right)" src="http://upload.wikimedia.org/math/a/3/d/a3d8374e3ff3d529cbbfb68e9e4839c4.png">
  爱因斯坦张量为
  <DD><IMG class=tex alt="G_{alpha beta} = -frac left( partial_mu partial^mu overline_{alpha beta} eta_{alpha beta} partial^mu partial^nu overline_{mu nu} - partial_beta partial^mu overline_{alpha mu} - partial_alpha partial^mu overline_{beta mu} right) " src="http://upload.wikimedia.org/math/1/e/2/1e2c2142bc8929b5a52c0f649290012c.png"> </DD><DD>这里,<IMG class=tex alt="overline_{alpha beta} = h_{alpha beta} - fraceta_{alpha beta}h " src="http://upload.wikimedia.org/math/f/9/8/f982f5ec29ebc532acf14065f9ca4e8d.png"> ,<IMG class=tex alt=" h = eta^{alpha beta} h_{alpha beta}," src="http://upload.wikimedia.org/math/8/c/0/8c04f8dabe21dbd09904a731bd107c6c.png"> <IMG class=tex alt="overline_{alpha beta}," src="http://upload.wikimedia.org/math/d/f/b/dfb97f97da798bbedd0fcdb9f9096e5c.png"> 被称作迹反转度规微扰(trace-reverse metric perturbation)。</DD>

引力波的性质编辑本段回目录

  引力波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。引力波的主要性质是:它是横波,在远源处为平面波;有两个独立的偏振态;携带能量;在真空中以光速传播等。引力波携带能量,应可被探测到 。但引力波的强度很弱,而且,物质对引力波的吸收效率极低,直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波,但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在 。例如,双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件,在这事件中大量的能量发生剧烈移动(例子包括两颗中子星的对撞,或两个极重的黑洞对撞)。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动,但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言,这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。

引力波的侦测编辑本段回目录

  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。这系统被认为具有两颗中子星,以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。其并且呈现了渐进式的旋近(in-spiral),旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。对于这样的观测,最简单(也几乎是广为接受)的解释为:广义相对论一定是对这种系统的重力辐射给出了准确的说明才得以如此。泰勒和赫尔斯因为这些成就共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
  1959年,美国马里兰大学教授韦伯发表了证实引力波存在的消息,这引起了世界物理学界一阵狂热的激动。事情是这样的,韦伯等人制造了6台引力波检验器,分别放在不同地点进行长期的检波记载。结果发现在各台检波器上都记录到一种相同的、不规则的“扰动”,并证明它并不是由声学振动、地震、电磁干扰或宇宙线干扰等引起的,因此,他们认为“不能排除这就是引力波”。之后,许多国家的科学家采用各种方法企图证实宇宙深处的同样“来客”,但终未得到肯定的结果,于是激动之余,人们便只能叹息罢了。
  射电天文学的蓬勃发展为物理学家们新的探测途径。射电望远镜的探测本领比光学望远镜强得多,美国天文物理学家泰勒等人在1974年,靠着射电望远镜发现了一个双星体系——脉冲射电源(PSR1913 16)。按照广义相对论计算,双星互相绕转发出引力辐射,们的轨道周期就会因此而变短,(PSR1913 16)的变化率为-2.6*10^ -12。而在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。上述消息传开,引起物理学界的极大震动。科学家们信心倍增,为欢迎引力辐射这位宇宙“娇客”将开展更为广泛的探索研究。因为对引力波的探测不仅可以进一步验证广义相对论的正确性,而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景,茫茫宇宙,只要有物质,到处有引力辐射。
  [引力波激光干涉仪]
  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。
  引力波观测激光干涉仪 (LIGO)
  位于美国的 LIGO 观测所拥有两套干涉仪,一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿,另一套在华盛顿州的汉福。在李文斯顿的干涉仪有一对封闭在 1.2 米直径的真空管中的 4 公里长的臂,而在汉福的干涉仪则稍小,只有一对 2 公里长的臂。
  这二套 LIGO 干涉仪在一起工作构成一个观测所。这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其它干扰都可能看起来像引力波信号,如果是此类干扰信号,其记录将只出现在一台干涉仪中,而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以,科学家可以对二个地点所记录的数据进行比较得知哪个信号是噪声。
  LIGO 从 2003 年开始收集数据。它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测所。一系列的升级计划将更进一步提高其灵敏度。 (来源激光之家 http://www.laserhome.cn)

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