还没有探测到引力波

中国航空报讯:引力波是变化着的

四维时空曲率的传播

引力波（又称引力辐射）是广义相对论的理论预言。20世纪初期（1916年）爱因斯坦创立广义相对论，揭示了一个全新的时空观念：时间和空间并非绝对和独立地存在，它们是相互联系着的，由物质分布和运动所决定的属性。换句话说，物质的存在产生广延的时空结构，物质分布决定时空结构的弯曲性质（曲率）。在时空中运动的物质，其轨迹由时空曲率决定，正如铁轨弯曲决定火车的运动一样。广义相对论的时空结构几何化概念、对引力的本质提出全新的解释，因而是一种新的引力理论。

物质是产生引力的源，引力场是一种无需介质的广延场。与电磁场的情况相类比，电荷是电磁场的源，电磁场也是一种无需介质的广延场。电荷的加速运动能辐射电磁波。那么，物质的运动是否也辐射引力波？理论上的回答是肯定的。1916年爱因斯坦在广义相对论引力场方程的弱场近似解中得到平面引力波辐射的结果。近代的其他引力理论也同样得出存在引力波的预言。

1918年，爱因斯坦进一步给出引力辐射的定量计算，指出：辐射功率依赖于运动物理体系的质量四极矩对时间的三次微商。质量四极矩反映物质分布的不对称性，对时间的微商反映变化的速率，也就是说：相同质量的体系，其分布不对称性愈高，变化的速率愈大，则辐射出的引力波愈强。恒星演化末期由于引力塌缩引起超新星爆发，爆发过程中高速且不对称地向外抛射大量物质并伴随着强烈的引力脉冲辐射，这是目前引力波探测的主要目标。此外，双星运动辐射连续的引力波在宇宙间十分普遍。

物质决定时空曲率，引力辐射则是变化着的时空曲率的传播，它叠加于“静态”时空之上从而动态地影响了局域的时空曲率。相对论认为任意两点的距离都由“时空间隔”来表示，在慢变情况下，时空间隔近似为空间间隔。引力波引起的时空曲率的改变可由测量空间间隔的改变而得到反映，这是当前引力波探测的依据。

爱因斯坦的理论还同时给出引力波的传播速度和偏振性质。这些性质，也可通过引力波探测而得到检验。

观测宇宙的新窗口

人类最早用眼睛观察宇宙，后来出现了光学望远镜，增加了观测的距离，射电、红外、紫外、X射线、γ射线等望远镜的出现，扩展了观测的波段，扩大了人类观察宇宙的视野。然而，所有这些观测手段的基础，都是接收来自天体的电磁辐射。对于某些缺乏电磁辐射的“暗”天体，我们就会视而不见，引力波探测可以弥补这一缺陷。由于天体都具有质量，因而，只要探测器足够灵敏，它们的运动都可由于辐射引力波而被检测。预期中的黑洞就是一个例子。黑洞不辐射电磁波，而它们的产生和碰撞都将辐射出强引力波。历史上每一种新的探测工具的使用，都伴随着重大的天文学发现，如射电望远镜“看”到了中子星，宇宙微波背景观测发现3K宇宙背景辐射。可以预期，由于引力波携带着天体运动的大量原始信息，引力波探测也将在宇宙观测上有新的发现，引力波探测器将成为研究天体物理学的有力工具。这一前景激发了天体引力波源的研究热潮，极大地推动了天文学和天体物理学的进展。  

1992年物理学诺贝尔奖得主是美国的J.Taylor和R.Hulse，得奖原因是他们对脉冲双星PSR1913+16的发现和研究。这是一个罕见的双脉冲星系统，距离地球约1.5万光年，轨道偏心率大（～0.6），由于不对称性和高速的轨道运动而有强烈的引力辐射，辐射的能量损失使轨道周期变短，从1974年开始，经十多年观测，得出轨道周期变率为（-2.425±10）10-12ss-1。相当于每年变化0.7秒。这与根据广义相对论引力辐射理论的预期十分准确地符合。这一观测，成为存在引力辐射的第一个间接观测证据。

人们对引力波探测的兴趣，还在于这一探测对人类认识自然的重要作用。从物理学看，既然各种引力理论都预言了引力波的存在，并赋予它以不同的特征（如传播速度，偏振，能量辐射方式等）。引力波探测的结果将有助于区分理论的正确与否，从而推动理论研究的进展，对引力波性质的深入了解，有助于引力场量子化的理论研究，从而为大统一理论做出贡献。

由于引力波探测需要大量髙精测量仪器和技术，探测的要求将促进这些技术的发展，超导量子干涉器（SQUID）和大功率钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）就是例子。

两类主要的引力波探测器

1969年美国《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett）第22期发表了美国马里兰大学（Univ.of Maryland）韦伯（J.Weber）教授的文章，宣称他已测得“不能排除是来自银河中心”的引力波讯号。信息传来，学术界大为震动，纷纷投入这一研究。韦伯的结果，未能为其他同类研究所证实，但他从20世纪60年代开始的地球上研究实验探测引力波的努力，使其作为一位先驱者而载入史册，他的工作，开创了实验检测引力波的先河。

从20世纪60年代开始，引力波探测一直是个热门课题，50多年过去了，还没有探测到引力波，原因是什么？原因只有一个：引力波所能产生的效应实在太弱了。

中国有句古话：“吾目能察秋毫之末”，秋天初生的毫毛的尖端，应该是很小的了（＞10-6米），眼睛能看到这样小的东西，应该是了不起的。现代的离子显微镜能分辨出一个个原子（＞10-10米），比毫毛之末还要小1万倍。理论预期的较强的引力波能使相距1米的两点产生的距离相对变化是10-22米。要把这个距离放大到原子尺度（10-10米）水平，相当于把一根头发的直径扩大到地球一样大。这是人类至今还未能达到的空间分辨水平。

问题不仅在于距离变化的大小，还因为任何距离变化，都要通过仪器和传感元件去测量，而这些仪器和元件都有“噪声”。测量设备的设置环境的噪声也会干扰测量的结果。这两种影响分别被称为内部噪声和外部噪声。外部噪声可以通过多种隔离方法尽可能消除到可以接受的程度，而消减内部噪声则是更为困难的课题。近数十年世界范围的引力波探测研究，其主要努力集中在如何克服噪声的影响上。

韦伯所使用的引力波探测器接收天线是一根高Q值（低内耗）的铝合金棒，引力波激起棒的振动，并以其共振频率维持振动。机电换能器（如压电陶瓷）将检拾此振动讯号并为后续放大器所放大。韦伯的铝天线是在室温下工作的。20世纪80年代中，我国中山大学研制成的室温天线，其检测灵敏度曾居当时各检测器的前列，达到h≈10-17水平，h是引力波引起局域时空的相对变化值，用来定量表示引力波的幅度，以空间距离来表示，即探测器可分辨出1米长度铝棒所产生的10-17米的距离变化，相当于原子核直径（10-15米）的百分之一。进一步提高分辨率受到铝棒的本征分子热运动的限制。20世纪80年代末期，美（斯坦福大学，路易斯安娜州大学）、意（罗马大学）、澳（西澳大利亚大学）等多个实验室致力于建立液氦温度（4.2k）下工作的低温天线，低温抑制了铝棒的分子运动噪声，检测分辨率进一步提高到10-19水平。20世纪90年代以来，意大利罗马大学和美国斯坦福大学开始研制超低温（10-2K）天线，预期灵敏度可达10-21水平。

韦伯式探测器利用天线棒的共振性质，提高了检测的灵敏度。然而却限制了检测的带宽，而且棒的尺寸限制它只能工作在引力波的高频段（～1000Hz），只有像超新星爆发这类比较罕见的突发事件才产生这个频段的引力波，而且它的中心频率不见得刚好在棒的共振频率上，因而这实质是一种“守株待兔”式的探测。由于长期维持超低温环境的困难，更由于这种测量方法的局限性，预期这种探测器的发展将受到限制。

几乎与韦伯型探测器同步发展的另一类激光引力波检测器正在得到发展，其基本原理与传统的迈克尔逊干涉仪相同，两个互相垂直的光臂受引力波作用。由于引力波的偏振性质，两光臂将产生不同的距离改变，并通过干涉条纹的移动反映出来。干涉仪的分辨率取决于光的臂长，最好是选用等于引力波波长的1/2为光臂长。假设引力波频率为1000Hz，那么波长是300千米，即要用互相垂直长度各为75千米的光臂。光臂必须保持高度真空，长的光臂需要大的投资，实际上采用光在光臂两端多次反射以取得要求的光程。例如，10次反射可把光臂长度缩小至1/20，即约为3～4千米距离，这就比较容易做到了。美国国会于1992年决定拨款2亿美元，在美国建立两座光臂长为4千米的激光引力波检测器，地点分别选在相隔3000千米的路易斯安娜州的Livingston和华盛顿州的Hanford，于20世纪末初步建成。

在此之前，意大利和法国决定在意大利的比萨（Pisa）联手共建一台3千米光臂的激光引力波探测器。德、英、日和澳大利亚亦做出类似的努力。我国的一些实验室则参与了澳大利亚在Perth附近建立这类探测器的计划。

对激光引力波探测器来说，光源噪声是主要的内部噪声，特别是光的量子噪声，抑制这些噪声需要稳定、单色大功率连续输出的激光源。近年来发展的钇铝石榴石固态激光器（Nd:YAG）将以其优异的特性（大功率，高效率）成为主要的应用光源。

激光引力波检测器是非共振式接收器，有较宽的工作频带，对重现脉冲引力波形十分有利。此外，还因可以工作在常温下而减少维持环境温度的困难。由于地面振动的限制，上述探测器的探测频率下限约为10Hz，欧洲航天局计划建立一个由4个地球卫星组成的空间激光探测器，光臂长达107千米，探测引力波频率下限达到10-2Hz，这已是21世纪的计划了。

百年磨一剑

经过20世纪前40年的努力，以爱因斯坦为代表的学术先驱建立了引力波的理论体系；以韦伯为代表的科技界从上个世纪60年代开始了引力波的实验探测。百多年的不懈努力，反映了人们追求真知的热忱。人们期望20世纪末建成的激光引力波探测器，在21世纪的头些年取得突破，在地球上首次测到引力波讯号。

更多的引力波讯号的获得将极大地开阔人类的宇宙视野，对获得的引力波讯号特性的分析将促进人类对引力本质的认识。有人认为，人类一旦掌握了引力波，所导致的社会效应将可与人类掌握电磁波相比。由于引力波具有极强的穿透能力，作为宇宙间的通讯工具将具有无与伦比的优势。

也许最新的探测器仍未能发现引力波的“芳踪”。那么，这将是对现有引力理论，特别是广义相对论的极大挑战，新的理论必将出现。作为近代科技前沿研究的引力波探测热潮，在世纪之交的时刻，由于面临突破而更加“热”了。近百年的努力使人们充分认识到这一任务的艰巨性，需要各国科学家的共同努力。科学家们在这方面已建立起良好的合作关系，新的突破，将是共同努力的结晶，这也是引力波探测的一个特点。






http://www.cannews.com.cn/2013/0702/31023.shtml

中国航空报讯:引力波是变化着的

四维时空曲率的传播

引力波（又称引力辐射）是广义相对论的理论预言。20世纪初期（1916年）爱因斯坦创立广义相对论，揭示了一个全新的时空观念：时间和空间并非绝对和独立地存在，它们是相互联系着的，由物质分布和运动所决定的属性。换句话说，物质的存在产生广延的时空结构，物质分布决定时空结构的弯曲性质（曲率）。在时空中运动的物质，其轨迹由时空曲率决定，正如铁轨弯曲决定火车的运动一样。广义相对论的时空结构几何化概念、对引力的本质提出全新的解释，因而是一种新的引力理论。

物质是产生引力的源，引力场是一种无需介质的广延场。与电磁场的情况相类比，电荷是电磁场的源，电磁场也是一种无需介质的广延场。电荷的加速运动能辐射电磁波。那么，物质的运动是否也辐射引力波？理论上的回答是肯定的。1916年爱因斯坦在广义相对论引力场方程的弱场近似解中得到平面引力波辐射的结果。近代的其他引力理论也同样得出存在引力波的预言。

1918年，爱因斯坦进一步给出引力辐射的定量计算，指出：辐射功率依赖于运动物理体系的质量四极矩对时间的三次微商。质量四极矩反映物质分布的不对称性，对时间的微商反映变化的速率，也就是说：相同质量的体系，其分布不对称性愈高，变化的速率愈大，则辐射出的引力波愈强。恒星演化末期由于引力塌缩引起超新星爆发，爆发过程中高速且不对称地向外抛射大量物质并伴随着强烈的引力脉冲辐射，这是目前引力波探测的主要目标。此外，双星运动辐射连续的引力波在宇宙间十分普遍。

物质决定时空曲率，引力辐射则是变化着的时空曲率的传播，它叠加于“静态”时空之上从而动态地影响了局域的时空曲率。相对论认为任意两点的距离都由“时空间隔”来表示，在慢变情况下，时空间隔近似为空间间隔。引力波引起的时空曲率的改变可由测量空间间隔的改变而得到反映，这是当前引力波探测的依据。

爱因斯坦的理论还同时给出引力波的传播速度和偏振性质。这些性质，也可通过引力波探测而得到检验。

观测宇宙的新窗口

人类最早用眼睛观察宇宙，后来出现了光学望远镜，增加了观测的距离，射电、红外、紫外、X射线、γ射线等望远镜的出现，扩展了观测的波段，扩大了人类观察宇宙的视野。然而，所有这些观测手段的基础，都是接收来自天体的电磁辐射。对于某些缺乏电磁辐射的“暗”天体，我们就会视而不见，引力波探测可以弥补这一缺陷。由于天体都具有质量，因而，只要探测器足够灵敏，它们的运动都可由于辐射引力波而被检测。预期中的黑洞就是一个例子。黑洞不辐射电磁波，而它们的产生和碰撞都将辐射出强引力波。历史上每一种新的探测工具的使用，都伴随着重大的天文学发现，如射电望远镜“看”到了中子星，宇宙微波背景观测发现3K宇宙背景辐射。可以预期，由于引力波携带着天体运动的大量原始信息，引力波探测也将在宇宙观测上有新的发现，引力波探测器将成为研究天体物理学的有力工具。这一前景激发了天体引力波源的研究热潮，极大地推动了天文学和天体物理学的进展。  

1992年物理学诺贝尔奖得主是美国的J.Taylor和R.Hulse，得奖原因是他们对脉冲双星PSR1913+16的发现和研究。这是一个罕见的双脉冲星系统，距离地球约1.5万光年，轨道偏心率大（～0.6），由于不对称性和高速的轨道运动而有强烈的引力辐射，辐射的能量损失使轨道周期变短，从1974年开始，经十多年观测，得出轨道周期变率为（-2.425±10）10-12ss-1。相当于每年变化0.7秒。这与根据广义相对论引力辐射理论的预期十分准确地符合。这一观测，成为存在引力辐射的第一个间接观测证据。

人们对引力波探测的兴趣，还在于这一探测对人类认识自然的重要作用。从物理学看，既然各种引力理论都预言了引力波的存在，并赋予它以不同的特征（如传播速度，偏振，能量辐射方式等）。引力波探测的结果将有助于区分理论的正确与否，从而推动理论研究的进展，对引力波性质的深入了解，有助于引力场量子化的理论研究，从而为大统一理论做出贡献。

由于引力波探测需要大量髙精测量仪器和技术，探测的要求将促进这些技术的发展，超导量子干涉器（SQUID）和大功率钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）就是例子。

两类主要的引力波探测器

1969年美国《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett）第22期发表了美国马里兰大学（Univ.of Maryland）韦伯（J.Weber）教授的文章，宣称他已测得“不能排除是来自银河中心”的引力波讯号。信息传来，学术界大为震动，纷纷投入这一研究。韦伯的结果，未能为其他同类研究所证实，但他从20世纪60年代开始的地球上研究实验探测引力波的努力，使其作为一位先驱者而载入史册，他的工作，开创了实验检测引力波的先河。

从20世纪60年代开始，引力波探测一直是个热门课题，50多年过去了，还没有探测到引力波，原因是什么？原因只有一个：引力波所能产生的效应实在太弱了。

中国有句古话：“吾目能察秋毫之末”，秋天初生的毫毛的尖端，应该是很小的了（＞10-6米），眼睛能看到这样小的东西，应该是了不起的。现代的离子显微镜能分辨出一个个原子（＞10-10米），比毫毛之末还要小1万倍。理论预期的较强的引力波能使相距1米的两点产生的距离相对变化是10-22米。要把这个距离放大到原子尺度（10-10米）水平，相当于把一根头发的直径扩大到地球一样大。这是人类至今还未能达到的空间分辨水平。

问题不仅在于距离变化的大小，还因为任何距离变化，都要通过仪器和传感元件去测量，而这些仪器和元件都有“噪声”。测量设备的设置环境的噪声也会干扰测量的结果。这两种影响分别被称为内部噪声和外部噪声。外部噪声可以通过多种隔离方法尽可能消除到可以接受的程度，而消减内部噪声则是更为困难的课题。近数十年世界范围的引力波探测研究，其主要努力集中在如何克服噪声的影响上。

韦伯所使用的引力波探测器接收天线是一根高Q值（低内耗）的铝合金棒，引力波激起棒的振动，并以其共振频率维持振动。机电换能器（如压电陶瓷）将检拾此振动讯号并为后续放大器所放大。韦伯的铝天线是在室温下工作的。20世纪80年代中，我国中山大学研制成的室温天线，其检测灵敏度曾居当时各检测器的前列，达到h≈10-17水平，h是引力波引起局域时空的相对变化值，用来定量表示引力波的幅度，以空间距离来表示，即探测器可分辨出1米长度铝棒所产生的10-17米的距离变化，相当于原子核直径（10-15米）的百分之一。进一步提高分辨率受到铝棒的本征分子热运动的限制。20世纪80年代末期，美（斯坦福大学，路易斯安娜州大学）、意（罗马大学）、澳（西澳大利亚大学）等多个实验室致力于建立液氦温度（4.2k）下工作的低温天线，低温抑制了铝棒的分子运动噪声，检测分辨率进一步提高到10-19水平。20世纪90年代以来，意大利罗马大学和美国斯坦福大学开始研制超低温（10-2K）天线，预期灵敏度可达10-21水平。

韦伯式探测器利用天线棒的共振性质，提高了检测的灵敏度。然而却限制了检测的带宽，而且棒的尺寸限制它只能工作在引力波的高频段（～1000Hz），只有像超新星爆发这类比较罕见的突发事件才产生这个频段的引力波，而且它的中心频率不见得刚好在棒的共振频率上，因而这实质是一种“守株待兔”式的探测。由于长期维持超低温环境的困难，更由于这种测量方法的局限性，预期这种探测器的发展将受到限制。

几乎与韦伯型探测器同步发展的另一类激光引力波检测器正在得到发展，其基本原理与传统的迈克尔逊干涉仪相同，两个互相垂直的光臂受引力波作用。由于引力波的偏振性质，两光臂将产生不同的距离改变，并通过干涉条纹的移动反映出来。干涉仪的分辨率取决于光的臂长，最好是选用等于引力波波长的1/2为光臂长。假设引力波频率为1000Hz，那么波长是300千米，即要用互相垂直长度各为75千米的光臂。光臂必须保持高度真空，长的光臂需要大的投资，实际上采用光在光臂两端多次反射以取得要求的光程。例如，10次反射可把光臂长度缩小至1/20，即约为3～4千米距离，这就比较容易做到了。美国国会于1992年决定拨款2亿美元，在美国建立两座光臂长为4千米的激光引力波检测器，地点分别选在相隔3000千米的路易斯安娜州的Livingston和华盛顿州的Hanford，于20世纪末初步建成。

在此之前，意大利和法国决定在意大利的比萨（Pisa）联手共建一台3千米光臂的激光引力波探测器。德、英、日和澳大利亚亦做出类似的努力。我国的一些实验室则参与了澳大利亚在Perth附近建立这类探测器的计划。

对激光引力波探测器来说，光源噪声是主要的内部噪声，特别是光的量子噪声，抑制这些噪声需要稳定、单色大功率连续输出的激光源。近年来发展的钇铝石榴石固态激光器（Nd:YAG）将以其优异的特性（大功率，高效率）成为主要的应用光源。

激光引力波检测器是非共振式接收器，有较宽的工作频带，对重现脉冲引力波形十分有利。此外，还因可以工作在常温下而减少维持环境温度的困难。由于地面振动的限制，上述探测器的探测频率下限约为10Hz，欧洲航天局计划建立一个由4个地球卫星组成的空间激光探测器，光臂长达107千米，探测引力波频率下限达到10-2Hz，这已是21世纪的计划了。

百年磨一剑

经过20世纪前40年的努力，以爱因斯坦为代表的学术先驱建立了引力波的理论体系；以韦伯为代表的科技界从上个世纪60年代开始了引力波的实验探测。百多年的不懈努力，反映了人们追求真知的热忱。人们期望20世纪末建成的激光引力波探测器，在21世纪的头些年取得突破，在地球上首次测到引力波讯号。

更多的引力波讯号的获得将极大地开阔人类的宇宙视野，对获得的引力波讯号特性的分析将促进人类对引力本质的认识。有人认为，人类一旦掌握了引力波，所导致的社会效应将可与人类掌握电磁波相比。由于引力波具有极强的穿透能力，作为宇宙间的通讯工具将具有无与伦比的优势。

也许最新的探测器仍未能发现引力波的“芳踪”。那么，这将是对现有引力理论，特别是广义相对论的极大挑战，新的理论必将出现。作为近代科技前沿研究的引力波探测热潮，在世纪之交的时刻，由于面临突破而更加“热”了。近百年的努力使人们充分认识到这一任务的艰巨性，需要各国科学家的共同努力。科学家们在这方面已建立起良好的合作关系，新的突破，将是共同努力的结晶，这也是引力波探测的一个特点。






http://www.cannews.com.cn/2013/0702/31023.shtml