4、引力波问题

发布时间：2016-11-02 08:51:23 来源：文档文库

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4、引力波问题

《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：４．引力能否被屏蔽？７．引力子，你在何方？。

（一）引力波问题的广义相对论基础

爱因斯坦广义相对论预言，引力波的主要性质有：① 在真空中以光速传播；② 携带能量和与波源有关的信息；③ 是横波，在远源处为平面彼；④ 最低次为四极辐射；⑤ 辐射强度极弱（如两个质子组成的旋转体系辐射的引力波强度约为它所辐射的电磁波强度的1 / 1057)；⑧ 物质对引力波吸收效率极低，穿透性极强（如地球对引力波几乎是透明的）；⑦ 其偏振特性为两个独立的偏振态等。(摘自《2000年电子版中国大百科全书》天文学“引力波”中内容，作者秦荣先陈嘉言)

早在1916年，Einstein就根据弱场近似预言了弱引力波的存在，但最初关于引力波的理论是同坐标的选取有关的，以致引力波到底是引力场固有的性质，还是某种虚假的坐标效应，以及引力波是否从发射系统中带走能量等问题，长时间没有得到澄清。Einstein引力场方程是双曲型偏微分方程,它意味着引力场的扰动将以一个有限速度传播,这种扰动就是以光速传播的引力波。引力波方程可从Einstein引力场方程的弱场近似解导出，把弱场情况下的引力场势函数简化为一个二阶齐次偏微分方程，这个方程与电磁波方程在数学上完全相同，所以引力场的运动也是波动，其解也是普通的平面波方程，引力波是横波，速度等于光速。

线性爱因斯坦方程

引力波——时空的波纹（示意图）

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）。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）。，其中，这里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

爱因斯坦张量为

这里，，被称作迹反转度规微扰（trace-reverse metric perturbation）。

如果采用洛伦茨规范，爱因斯坦张量的后三项将为零，这里洛伦茨规范的形式为。

波方程的一般解为如下本征函数的线性叠加：，其中是四维振幅，是四维波矢，满足条件，这表明引力波传播经过的测地线是零性的，即其传播速度是光速。四维波矢，其中是波的角频率，是经典的三维波矢。由于洛伦茨规范并不唯一，此时坐标还不是完全确定的。如果再加上条件：，，第一个条件表示引力波张量中所有与时间t有关的分量都为零，第二个条件表示引力波张量矩阵的迹为零。因此这组规范条件叫做转置无迹规范（transverse traceless gauge），简称TT规范。在TT规范下，。由洛伦茨规范和TT规范共同决定下的引力波张量只有两个分量是独立的，它们实际对应着引力波的两种偏振态。对于在z方向传播的波矢，这两个振动分量垂直于传播方向，这表明引力波和电磁波一样是横波，其张量形式写作引力波的偏振对质点位置的调制
引力波的偏振对质点位置的调制

和是引力波的两种偏振态，右图中示意了两种偏振各自不同的振动形式。

广义相对论的弱场辐射解具有如下的特点：在真空中以光速传播的横波没有偶极辐射，只有四极或更高级的辐射，它携带有能量，穿透能力极强等等。从物理图像上看，弱场近似下的辐射解毕竟是值得注意的，一方面，任何可观测到的引力辐射的强度都非常低，另一方面，弱场近似下的引力辐射理论，有可能沟通广义相对论同微观物理学之间的鸿沟，赋予引力学概念以确切的含义。

从50年代末到70年代初，广义相对论经典理论的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的进展。对于广义相对论是否存在引力波的问题一直争论不休，因为人们当时搞不清广义相对论中的引力波会不会仅仅是一种坐标效应，这在很大程度上是对广义相对性原理的不恰当的理解而引起的。直到50年代末，同坐标选取无关的引力辐射理论才开始形成，随后，科学家求出了 Einstein真空场方程的一种以光速传播的平面波前、平行射线的严格的波动解，并证明了检验粒子在引力波作用下会产生运动，从而表明了引力波携带着能量，不过，由于 Einstein方程是非线性的，有关引力波的一些理论问题仍有待继续澄清。60年代初，人们弄清了在理论上的确存在引力波。引力波可以看作是以光速传播的力场，它和电磁波在许多方面类似，和坐标系的选择毫无关系。由于引力波与物质的相互作用十分微弱，这给探测引力波的工作带来了很大的困难，用实验方法产生引力波的困难尤为严重。

（二）引力波的探测经历

爱因斯坦于1916年曾预言,加速的质量可能有引力波存在,但他提出的引力波与坐标选取有关，在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有。因此在初期，包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度。1956年，皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年，邦迪进而从理论上证明与坐标选取无关的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，这就间接地证明引力波携带着能量，并可被探测到。

长期以来，科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波，并通过对射电脉冲双星PSR1913+16公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在，但迄今直接测量引力波的实验尚未成功。根据广义相对论，当物体做加速运动时就会对原有的引力场产生干扰从而辐射出引力波，这就好像将一块石头扔到平静的水面上出现的波纹一样。因此，任何物体都在无时无刻地辐射引力波，它在宇宙中是无处不在的。例如，地球绕着太阳运行就一定会发出引力波。地球由此而丧失能量，因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢。使原子保持为一个整体的电磁力要比引力强1000万亿亿亿亿（即1039）倍。我们之所以感受到引力，惟一的原因乃是地球极其巨大，组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相当可观了。但是，引力波是自然界中最微弱、最不易察觉的波，它不会产生我们通常能察觉到的任何效应。例如，地球绕太阳公转时辐射引力波而丧失的能量只有大约0.001瓦，因而在几十亿年中，它向太阳靠拢的距离简直微不足道。而假如500亿颗直径为1公里的速度撞向地球，所产生的引力波能量也仅能点亮一只灯波。不过没有人能活着看到这个结果。Einstein的广义相对论预言：引力波（也称重力波）的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。美国马里兰大学韦伯(J．Weber)教授于1958年开始进行引力波的实验，经过10余年的努力，曾宣布检测到来自银河系中心的引力波，但结果不十分可靠，目前尚无定论。

70年代末，J.H.泰勒等人公布了对射电脉冲双星 PSR 1913+16公转周期变短的长期观测的结果。泰勒等人认为，这种效应是由于引力辐射不断带走能量所引起的，他们的结果在20％的误差范围内同引力辐射的理论计算一致。 1978年泰勒等人通过对一颗射电脉冲双星（PSR193＋6）轨道周期所作的多年观测，间接证实了引力波的存在。这也是对广义相对论的重要验证。

1982年，他们又进一步发展了减小误差后的结果。不过，人们还希望利用多普勒跟踪法或激光测距法观测两天体在引力波作用下间距的变化来直接探测引力波。现在，美国航天局和欧洲航天局正在加速这方面的研究，并使测距精度大大提高(例如地球和月亮的距差为±5厘米)，其灵敏度Δl／l已达10－13～10－16，即便如此，还需把精度提高四个数量级才有可能探测到引力波。为此，欧美曾计划在1985年发射两艘深空间飞船（伽利略号和国际太阳极任务号），届时可望将测量精度提高到10－20。一旦引力波探测工作取得成功，就可以进而研究引力波的性质，从而就会判明那种度规理论对宏观引力现象的描述更符合客观事实。

（三）脉冲星的发现及其意义

2007年是脉冲星发现40周年，期间诺贝尔物理学奖曾两次光顾脉冲星的发现，其原因何在？爱因斯坦关于引力波的预言是如何被验证？脉冲星发现者的举世成就和诺贝尔奖的是非恩怨再次成为关注话题。

1、发现脉冲星

1967年8月，剑桥射电天文台的女研究生贝尔(Jocelyn Bell)在纷乱的记录纸带上察觉到一个奇怪的“干扰”信号，经多次反复钻研，她成功地认证：每隔1.33秒地球接受到一个脉冲的源（之后被命名为 PSR 1919+21）。得知这一惊人消息，她的导师休伊什(Antony Hewish) 曾怀疑这可能是外星人――“小绿人”――发出的摩尔斯电码。但是，进一步的观测表明，这个天体发出脉冲的频率精确得令人难以置信。接下来，贝尔又找出了另外3个类似的源，所以排除了外星人信号，因为不可能有三个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射信号。再经过认真仔细研究，1968年2月，贝尔和休伊什联名在英国《自然》杂志上报告了脉冲星的发现，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的中子星（也许是夸克星）。这是20世纪的一个重大发现，为天文学研究开辟了新的领域，而且对现代物理学的发展产生了深远影响，成为1960年代天文学的四大发现之一（另三个发现：星际分子，类星体，微波背景辐射）。1974年，科学家们选定了天鹰座中距地球17000光年的一对双星脉冲星进行观测。在那以后的12年中，测得它们的轨道周期以每年76毫秒的速度在减小。这与根据爱因斯坦理论的计算结果精确地相符。既然宇宙中存在引力波，那么，在地面上就应该能检测从太空传来的引力波。从理论上说，像电磁波引起天线振荡一样，引力波也会使物体产生某种振荡，如使弹性物体产生轻微的波动，使刚性物体产生伸长和缩短的变形等。检测到这些振荡，也就是检测到了引力波。

如果在地面上检测到了引力波，不仅证明宇宙中引力波的存在，而且可以知道每一个引力波源的方向和它的主要特性。因为物体波动或伸缩的方向就是引力波源的方向，物体中两点之间的距离在引力波作用下发生的变动，反映引力波的振幅，而波的振幅是它的能量的量度。因此，引力波探测器也就成了引力波望远镜。

2、脉冲星发现的意义

经过40年的努力，天文学家已发现大约1900颗脉冲星。人们已基本清楚，脉冲星是高密度星体，其主要成分是中子（但部分脉冲星也许是夸克星，有待进一步证实），半径大约10公里，其密度相当于将整个太阳压缩到北京市区的范围，因此具有超强的引力场。乒乓球大小的中子星物质相当于地球上一座山的重量。脉冲星磁场是地球的万亿倍（地磁场约10-4特）。脉冲星的强引力场可用来验证爱因斯坦广义相对论，其超高密度用来验证核物理理论。所以，脉冲星被誉为物理学的“空间实验室”。天文学家认为，脉冲星是超新星爆发后留下的残余部分。在蟹状星云内发现的脉冲星PSRO531-21，周期只有0.0333秒，而它的遗迹早在宋朝（公元1054年）就被我国古代的天文学家记录，这也是人类历史上第一次记录的一颗恒星的演化史。在恒星塌缩的过程中，它所包含的物质挤压在一起，密度越来越大，由于角动量守恒，星体会越转越快。这与花样滑冰运动员两臂在向内收紧时，也会越转越快的道理相同。有些脉冲星旋转快得惊人，而且高度稳定。最近已发现每秒可旋转 1122 次的脉冲星。据估计，在银河系中，可能有多达6万颗脉冲星，大部分还没有被发现。

脉冲星的脉冲从何而来？有点像地球的磁场形状，脉冲星的磁轴与旋转轴之间成一定角度，当星体旋转时，磁极区的辐射能量就像灯塔的光束一样扫过太空。当此辐射束照射到地球时，人们用射电望远镜可能探测到脉冲星。虽然很多脉冲星在银河系被发现，但它们距离遥远，人类无法用肉眼看到，只能借助望远镜探测它们发射出的强大辐射。除了射电波段，在红外、紫外、光学、X射线、γ射线波段都已观测到脉冲星。脉冲星的重要性还在于其应用价值。毫秒脉冲星具高度稳定性，可与原子时（atomic time）的长期稳定度媲美。在长期计时观测成果的基础上, 毫秒脉冲星可作为计时参考。随着脉冲星计时阵的实施, 国际上，在时间标准研究方面将会取得重要成果，预期可用于航天器全程高精度自主导航。

在地球上和太阳系里，爱因斯坦广义相对论的四个预言得到验证，但引力波预言一直无法证实。激动人心的消息来自美国波多黎各山谷的阿雷西博天文台（Arecibo Observatory），这里安装了世界最大的单口径（300米）射电望远镜。1974年，两名普林斯顿大学天文学家泰勒（J.Taylor）和赫尔斯（R. Hulse）首次发现脉冲星双星系统（命名PSR1913+16）。此发现是一个天赐良机，可用它来检验爱因斯坦关于引力波的预言。双星绕转运动将辐射引力波，导致能量和角动量损失，双星轨道收缩。这个效应很小，无法在太阳系测到，但在脉冲星双星系统应当可以测到。先把轨道周期的变化率精确地计算出来，通过精确观测脉冲双星轨道周期的变化检测引力波的存在。脉冲星双星系统PSR1913+16由两颗中子星组成，其中一颗发射脉冲信号，它们轨道周期为7.75小时，通过对其周期变率的测定后得到与爱因斯坦理论预言符合的结果。此消息一经传出，世界为之轰动，在地面上不易验证的爱因斯坦理论，在遥远的脉冲星系统找到了证据。这好比牛顿关于苹果下落的猜想，印证月球围绕地球转动的理论。为此，泰勒和赫尔斯获得了1993年度诺贝尔物理学奖。一种天体的发现能获2次诺贝尔奖，绝无仅有。这次诺贝尔奖委员会已有前车之鉴，赫尔斯发现脉冲双星时也是学生，但这次与导师一起获奖。为了弥补以往的过失，诺贝尔奖委员会请来贝尔参加此次颁奖仪式。如果没有贝尔1967年的发现，也就没有这次颁奖了，当然科学发现的历史也将改写。直到2005年，历经30年观测表明（1975－2005年），爱因斯坦理论和观测吻合的很好。

2004年，不负众望，天文学家又取得了突破性进展。澳大利亚帕克斯（Parkes） 64米口径天文望远镜发现了一对互相绕行的脉冲星，命名为PSRJ0737-3039A/B，距离地球2000光年。它们轨道周期仅为2.4小时，相距100万公里的这两颗中子星都发射电波，这是已知的唯一一对相互环绕的可观测射电脉冲双星系统。与先前发现的脉冲双星相比，PSRJ0737-3039A/B轨道周期更短，引力辐射更强，是一个优越的引力波实验室。美国GBT望远镜（Green Bank Telescope，100米口径）对双脉冲星长达三年的精确测量，得到双星的间距以每天7毫米的速度变小，这与广义相对论引力波预言的结论一致。在检验中，还观测到了其他的相对论效应，如脉冲星附近的时空弯曲导致的时钟变慢，即夏皮罗（ I。Shapiro ）延迟，它的测量误差在0.05%以内，这是目前为止对广义相对论最精确的检验。

美国在路易斯安那州和华盛顿州建造了两台激光干涉仪引力波观测台，它们相距3000千米。每个观测台上有一个L形真空管探测臂，长4千米，在管的两端和转弯处有反射镜，让激光束在镜面之间来回反射。激光在弯处的镜面上通过干涉产生明暗条纹光带。如果有引力波通过，由于时空畸变，会使相互垂直的探测臂一个伸长、一个缩短，光带因而发生变化。相隔3000千米设两个观测台，是为了排除地球上地震、雷暴和火车行驶、飞机飞行等各种干扰因素，因为这些因素不可能在两地同时发生。这个观测台2002年开始启用，能探测到10-18米的长度变化。但迄今没有探测到引力波。

美、欧科学家计划在2012年发射航天器，利用太空的广阔距离对引力波进行探测。其方案是，将3对探测器送入太空，让它们组成等边三角形，相邻两对探测器之间的距离为500万千米，它们在地球后面以20度的夹角一起绕太阳运行。3对探测器之间用激光测量距离。如果有引力波传来，它会挤压时空，使3对探测器之间的距离发生微小的变化。灵敏的激光可测出一个原子直径大小的位移。由于它们所占的地域比地球上的探测器大得多，因而可能探测到更多的引力波源；灵敏度也更高。

现在的各种望远镜，都是通过接收电磁波进行宇宙探测的，但是，在宇宙大爆炸后的头100万年中没有电磁辐射；黑洞一般不发射电磁波；中子星、超新星核等致密星体和超密物质一般电磁辐射都较弱，通过电磁辐射所能揭示的信息很少。但它们却是最强的引力辐射源。由此可见，引力波望远镜与传统望远镜有很强的互补性；还有，引力波与电磁波不同，它可穿透任何物体，也不被任何物体所吸收，来自遥远引力辐射源的引力波，不会损失任何所携带的信息。因此，引力波望远镜可以探测到许多原始信息。一句话，引力波望远镜为我们探测宇宙开设了一个崭新的窗口

附录1：《自然》：科学家首次锁定引力波探测范围——————这是寻找引力波过程中“第一次有意义的实验进展”

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。

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。

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。

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。当前全球有4个引力波探测器处于运行之中，科学家建议建造更多的引力波探测器，分别安置在日本、澳大利亚和印度。届时搜寻宇宙引力波存在的概率将显著增加。这项研究是由德国阿尔伯特-爱因斯坦学会物理学家伯纳德-舒茨(Bernard Schutz)负责，研究报告发表在5月27日出版的《经典引力和量子引力》杂志上。引力波是爱因斯坦的广义相对论中预言过，被认为是由宇宙中最猛烈的事件，比如：两颗中子星碰撞时产生。中子星是超新星爆炸之后残留的密集死亡恒星，当两颗中子星彼此合并时，将预示着释放强大的引力波，且能从地球上观测到。美国宇航局/欧洲宇航局发射卫星系统至太空搜寻引力波的任务由于缺乏资金而取消，这一项目叫做“丽莎(LISA)”。2010年，另一项研究评估截至2016年4个现有引力波探测器将能够探测运行，平均每年可观测到40颗中子星合并事件。这一探测比率将随着数据分析技术的提高而达到每年观测到160颗中子星合并事件。