物理学前沿之引力波原理与研究现状

物理学前沿之引力波原理与研究现状

引力波由来，性质与原理：1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在。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。引力波天文学是观测天文学20世纪中叶以来逐渐兴起的一个新兴分支，其发展基础是广义相对论中引力的辐射理论在各类相对论性天体系统研究中

的应用。与基于电磁波观测的传统观测天文学相对比，引力波天文学是通过引力波这个途径来观测发出引力辐射的天体系统。由于万有引

力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。

引力波的探测史：

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。

1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。

21959年，美国马里兰大学教授J▪韦伯发表了证实引力波存在的消息，引起了一阵狂热的激动。韦伯首创用铝棒做“天线”，接收天体辐射的引力波的方法。为了提高灵敏度，“天线”很重，往往达到数吨；为了排除干扰，“天线”置于－270℃左右的超低温环境中。当时参加研究的有十几个小组，但只有J▪韦伯宣布接收到了可能是来自其他天体的引力波信号。其后不断有人重复这个实验，但终未得到肯定的结果。

3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，它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。

探测手段

LOGO (引力波观测激光干涉仪)

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。

在欧洲引力波探测计划中，科学家在德国汉诺威的GEO600引力波观测站和意大利比萨的处女座（Virgo）引力波探测器处使用陆基引力波

天线。德国汉诺威的GEO600引力波观测站的干涉仪臂长达600米，是德英联合项目；而处女座引力波探测器臂长更是达到3000米，是意大利、法国、波兰、匈牙利四个国家联合研究的项目。

证实引力波的意义：爱因斯坦认为，万有引力的本质是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。虽然理论上，运动状态发生改变的质量都会发射引力波，相关的间接证据不少，但其程度微弱，使得目前为止人类还没有直接探测到引力波的存在。

直接探测到引力波的存在可以为爱因斯坦广义相对论的正确性提供最严格的证明，将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。实际上更加深远的意义在于引力波探测将为人类开启宇宙观测的全新

窗口。由于引力波不被物质吸收，来自遥远天体的引力波就能不损失任何携带信息而到达地球，所以，引力波探测也被认为是研究黑洞和暗物质等大质量、不可见天体性质的有效途径。

中国引力波研究现状

清华大学是第一个来自中国的激光干涉引力波天文台LIGO科学合作组织成员，不仅填补了中国在引力波探测数据分析方面的研究空白，也为中国在世界一流科学合作组织中争取到了一席之地。2009年9

月21日，在匈牙利首都布达佩斯召开的LIGO和Virgo联合工作会议上，清华大学信息技术研究院研究员曹军威详细介绍了清华大学LIGO 工作组的研究进展与计划，随后的LIGO科学合作组织理事会议正式通过了清华大学申请加入LIGO科学合作组织的申请