引力波,引力波源及引力波探测

引力波,引力波源及引力波探测

摘要：目的通过讨论初步了解引力波及其检测方法方法采用查阅文献，小组汇报，互相交流的方式。结果初步了解引力波，同学们积极发言，小组讨论效果明显。结论通过独自查阅文献，互相讨论交流，我们对引力波有了更深刻的认识，也获得了许多有用的知识。这是一种增长知识，开阔视野的有效的学习方式。

关键字：引力波；检测；原理；意义

1. 引言

广义相对论的几个经典检验和预言

1．光谱线在引力场中的红移；距引力场源较远处接收到光的频率较低，原因：光“逃离”引力场源需要做功。

2．光线在引力场中的偏折；牛顿理论加上光子概念可以定性解释，但定量结果却总只有观测值的一半。

3. 水星进日点的进动；多出来的43秒／百年，牛顿理论加上摄动修正无法解释。以上三点均是广义相对论的直接推论－－史瓦西解（Schwarzschild1916）的直接结果。传感器一般由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件是指传感器中敏感元件感受（或响应）的被测量，转换成适于传感和测量的电线号的部分。

4．雷达回波延迟；1964年Shapiro首次提出。地球发出的雷达信号经太阳附近到达另一行星（或飞船），然后返回，测量信号发出与接收的时间。与广义相对论的吻合程度非常高。

5．引力波；下面专门谈。

6．黑洞；等。

引力波：指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，以引力辐射的形式传输能量的波。

2. 实验

2.1 共振型棒式天线：

代表：Weber棒(美国)

实验装置：悬挂的铝棒（重1.4吨）＋压电陶瓷传感器。灵敏度为h~2X10-15。

Weber的检测器工作在室温下，来自热运动的噪声会干扰实验结果。目前采用高Q值低内耗铝合金在超低温(10-2K)下工作，工作的引力波频段为~1000Hz段，灵敏度为h~2X10-21。

缺点：非共振频段的引力波反应弱；守株待兔式探测需要昂贵的实验维持费用。

部分实验结果：

1969年，韦伯(J. Weber)宣称探测到了来自银河系中心的引力波，实验结果发表于美国物理评论快报(Physics Review Letter)，但后来相继建成的更高灵敏度的引力波检测器没能重复其结果，因此其结论目前仍然未能被科学界接受，认为是噪声而非引力波！

1987年有个小组声称接收到了来自大麦哲伦星云(属于银河系的近邻星系)中的超新星1987A 爆发时的引力辐射。

这两个结果都因为没有旁证而无法得到公认.

2i.2激光干涉仪探测器：

代表：LIGO（美国）

其原理与传统的迈克尔逊干涉仪完全相同,引力波作

用将引起两垂直光臂(检验质量)产生不同的距离变化，从而改变两束干涉光的光程差，通过干涉条纹移动反映出来！其工作频率下限为10Hz。欧洲宇航局拟建的LISA工作频率下限为10-2Hz。

部分实验结果：

2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年

12月26日（UTC ），位于美国利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号 。

3.研讨内容：

1. 引力波－Einstein 广义相对论的预言

④ 引力波是横波。

原因是假定取谐和坐标，并假定引力波沿某一方向（比如X 方向）传播，则它只对Y 方向和Z 方向的度规造成扰动。

④ 不存在单极和偶极引力辐射。

引力波带有能量，可以被探测，但引力辐射的最低极矩是四极矩，这就是为什么引力波非常弱而难以探测的原因。

2. 引力波的检测原理及引力波检测

④ 弯曲时空中自由粒子的短程线方程

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0d x dx dx dt dt dt μαβ

μαβ+Γ=

⏹ 两个处于不同短程线上的粒子就构成了一个最

简单的引力波检测器。

⏹ 实验原理：正如电磁场驱动带电粒子一样，处

于引力场中的物体也将受到引力的驱动。可以证明：粒子所组成的环平面与平面引力波的传播方向垂直时，在一个同期内，它将被引力扭曲为下面之图

④ 引力波探测的主要困难：

1．天然引力波信号极弱。平直时空度规取

（1，-1,-1,-1），理论推算认为天然的引力波的

对度规的扰动仅为~10-30

的量级。目前无法人工产生高强度引力波用于实验。

2．自然条件与技术水平的局限。太空噪声，检测设备及检验质量的热运动噪声，信号转换损失，地面振动，目前的测量技术水平等。 3．强引力波源的时间随机性。

4．理论上的原因。引力波与检测质量的作用截面极小；宇宙深处的引力波按与距离平方衰减的规律传到地球，衰减多；Einstein 预言引力波时使用的弱引力场线性近似等。 3.引力波源 3.1 自然源

天体连续引力波源：特点：连续谱，频率较低，源比较确定。

双星系统（最理想的是中子双星或黑洞双星）1993年Nobel 奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，就是奖励他们观察致密双脉冲星PSR1913+16获得引力辐射的间接证据。PSR1913+16双星的观测已经给出了引力波存在的间接定量证据，目前引力波的直接检测已成为现代物理学重大课题中的当务之急。

理论研究表明: 只有由两颗中子星组成的双星体系才有可能检验引力辐射阻尼. 而赫尔斯和泰勒

在1974年底发现的脉冲星 PSR 1913+16 是目前已知的双星中唯一一个宜于进行引力理论检验的良好体系.

3.2 人工源

根据引力场方程可以引力场人工造源,但目前都还仅限于理论方面，不足以引起可观察的效应。

电磁场张量EMT (Energy Momentum Tensor)变化可以引起引力辐射－G-S (Grishchuk-Sazhin)方案（电磁谐振腔）, P-R (Pinto-Lotoli)方案（高频脉冲源模型）, T-L-L(唐孟希，李芳昱，罗俊)的改进方案（电介质电磁谐振腔）。但距现实仍然有较大的距离—主要是尺寸太大~108-1010cm3！

质量四极矩的三阶导数不为零会有引力辐射。

3.引力波探测的意义和展望

意义：

引力波探测的结果将有助于证明各种引力理论的正确与否。

推动引力场量子化的理论研究，从而为完善物理学“大统一”理论做出贡献。

展望：

棒式天线：

大质量(>5t)、超低温(<0.1K)、高效低噪换能器(超导量子干涉器件SQUID,隧道电子效应换能器等)。

激光干涉仪：

长基线(1~4Km)、多次反射(n>100)、高能高稳定性高单色性激光。

从地球转移到太空：

避免地球引力和地球表面干扰， LISA、ASTROD等。值得思考的问题：探测器的设计思想是否应该考虑更新！目前的探测器都源于韦伯的思路。

4.问题探索①引力波的应用：

1.能源，如果是两个黑洞结合，损失掉的质量能量以

引力波的形式发出，则理论上就有收集引力波并还原为能量的方法。

参考，太阳能电池，太阳帆

2.可以作为曲率和跃迁引擎的探索方向之一

跃迁引擎的原理是压缩路径的空间，而曲率则是改变自身周围的空间，引力波的证实则为这两种驱动实现提供了新的可能。

参考，肥皂船

3..高维探索

弦论中，我们所接触到的力中，只有引力是跨维度的，如果说高维世界对低维世界有线索的话，那么引力波很有可能是四维空间对我们三维空间的线索之一。

参考，水面波纹使得平静的二维水面扭曲到三维，扭曲的白纸

4..时间机器

现在理论上都是时间能被伸缩，但不能往回倒。

我们不妨将引力波对三维空间的影响扩大到对四维时空的影响，也就是说，说不定引力波可以影响时间哦。

这个想不到参考，是纯脑洞，可以参考电影星际穿越

5.信息传递

既然和那么远的距离，用大型仪器可以探测到引力波。

而光的衰减效应，或者更大范围说电磁波的衰减效应，导致未来星球间传输效率太低。

如果我们成为多星文明甚至多星系文明后，引力波会成为最好的星系间通讯介质，将引力波编码和加密，然后定向发射，效果会比现在用的电磁波好很多。