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引力波
                                                                   引力波   
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,是广义相对论的一项重要预言。2009年08月20日,一个国际科研小组在20日出版的新一期《自然》杂志上报告说引力波“出没范围”被锁定,爱因斯坦预言或将成真。 

简介

地面引力波天文台LIGO

引力波是爱因斯坦在广义相对论中提出的,即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。通俗地说,可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波。但是,只有非常大的天体才会发出较容易探测的引力波,如超新星爆发或两个黑洞相撞时,而这种情况非常罕见。因此,相对论提出一百多年来,其“水星进动”和“光线偏转”等重要预言被一一证实,而引力波却始终未被直接探测到。

引力波有宇宙初生时的“啼哭”之称,它自宇宙诞生后便一直四散传播,现在可探测到的余响能量非常小,被称为“随机引力波背景”。在“激光干涉引力波观测台”中,科学家便是努力在长达4公里的激光光线中,寻找“随机引力波背景”带来的比一个原子核还小的扰动。

性质

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。

侦测

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。

突破

引力波“出没范围”被首次锁定

引力波是宇宙从大爆炸中诞生后紧接着瞬间的极度混沌中产生的,就像宇宙初生时发出的“啼哭”声。爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在,科学界一百多年来一直苦苦探寻引力波。一个国际科研小组在2009年8月20日出版的新一期《自然》杂志上报告说,他们终于锁定了引力波的探测范围。

这个科研团队利用位于美国的“激光干涉引力波观测台”,成功地锁定了引力波的“出没范围”,显示其能量值比原有推测值要小很多。他们预计,目前探测仪器的灵敏度到2014年可提高1000倍,到时极有可能直接观测到引力波。

研究人员说,他们的研究成果是寻找引力波过程中“第一次有意义的实验进展”,如果真能在近期探测到引力波,将极大推动对宇宙诞生和时空本质的理解。正缘于此,全球科学家都积极投入到这项工作中。在《自然》杂志发表的这篇论文中,作者列表不是通常的几个或十几个人名,而是遍布全球的79所大学、实验室和研究机构。

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来自:山里红图书馆  > 学科领域
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