引力波的发现历程

1、引力波的发现历程班级：12级物理一班姓名：陈昊昱学号：1207020008摘要：引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成 为天体物理学的一个重要前沿课题。关键字：引力波(gravitational waves)广义相对论电磁波一、引力波初期探索牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他 最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对 引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹 果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊 中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这

2、一瞬间，他认识到了引力 是怎样将物体拉向地球的。这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使 他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月 亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一 种吸引的力，并称之为引力。根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引 力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼 (1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛 顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球 和月亮的运动，

3、以及彗星的轨道问题。虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中， 引力产生的原因仍然是个谜爱因斯坦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。牛顿认为是一种 即时超距作用，不需要传递的“信使”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，这是广义相对论的一 项重要预言。二、引力波检测的开拓者爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不 但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系 引力物质的质量与时空“弯曲”的程度

4、、性质之间的桥粱。爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整闾的“弯 曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间 一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是 通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时 空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已 经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机 械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引 起周围电磁场的变化而产生电磁波一样。从理论上说，引力场方程一旦建立，立即就提出了这样一个问题， 即已知电磁波是麦克

5、斯韦方程组的解，那么引力波能否和电磁波相似 地是爱因斯坦引力场方程的解呢？早在1916年，爱因斯坦对引力场 方程取近似值后得到了波动解。尔后在30年代，他和罗森曾在场方 程中求得严格的柱面波解，于是人们在理论上才倾向于相信引力波存 在。引力场方程的波动解表明，时空的波动作为一个独立的实体，以 光速在真空中传播。爱因斯坦曾经提出具体的实验方法来检测射力波，但在许多年中 没有人实施过，因为引力波实在是太微弱了。科学家们自然想利用宇 宙中的引力波源研究引力辐射。人们知道，遥远的恒星、星系均受到 引力作用，而且星球本身也是由于引力克服了巨大的热压力才合为一 体的。这些庞大质量的天体的运动，可以形成强烈

6、的引力摄动，而摄 动就以引力波的形式向外传播出去。打个比喻吧，它们就像一些猛闯 乱窜的摩托艇在水面上所激起一阵阵波涛的情形。I960年，美国马 里兰大学物理学教授韦伯博士，首次进行了探测宇宙中引力波的实 验。韦伯设计出一种天线来检测引力波，而且研究出精细的探测方 法。这种天线是一根长1.53米、直径0.66米、重达1.4吨的圆柱形 铝棒，它悬挂在真空环境中，周围尽可能没有干扰性振动。如果有引 力波垂直扫过来时，就会激发铝棒振动。这种振动虽然很微弱，但是 可以通过该棒中间附加的压电应变转换器变换为电信号检测到。实际 上，这根棒是根据爱因斯坦曾提出的实验方法设计的，但是人们还是 习惯于称之为韦伯杆

7、。为了确定铝棒的振动不是因为当地发生波动或是由车辆开过时 发生震动而产生的，韦伯教授又在1000公里之外芝加哥附近的阿岗 国家实验室，安装了一个类似的仪器。他想，假如有一个引力波扫过 整个太阳系的话，那么两台仪器都会同时发生同样的反应。1969年6 月16日，韦伯在物理评论快报上发表文章，宣布他和他的同事 们探测到了一些可能是引力波的现象，因为在他们的两台仪器上，观 察到了两个巧合的现象。韦伯还声称发现了 100个左右的符合脉冲。除去引力波之外，韦伯仔细地研究了所有可能引起这些脉冲的因 素，其中包括太阳耀斑、雷电、人为的无线电信号、电活动以及地震 波。但是他发现所有这些现象似乎和上述脉冲都无关

8、系。韦伯的报告 引起了世界科学界的兴奋和关注，科学家们纷纷进行类似的实验。譬 如在美国纽约北部的罗彻斯特，在德国以及苏联，结果发现当年韦伯 检测到的并不是引力波，因为有的实验的灵敏度超过韦伯的探测仪 器，但都没有再发现类似的符合脉冲。三、引力波的间接证据韦伯的初次实验后大约10年，即1978年，科学家在探索引力波 的历史上开创了一个崭新的局面。事情要从1974年说起，那一年， 美国马塞诸萨大学的天文学家泰勒等人，使用波多黎各阿雷西博天文 台的世界上最大的射电望远镜，在研究脉冲星的过程中，发现在双星 里至少有一颗伴星是双星脉冲星。取名为PSR1913十16的脉冲伴星， 由具有1.4倍的太阳质量（

9、仍然是中子星）或作为黑洞的伴星组成，绕 着公共重心以约8小时的周期轨道运转。虽然该双星系统的两颗星中 仅有一颗是脉冲星，但经过对其轨道进行的研究表明，它的另一颗伴 星也是中子星。泰勒及其合作者测定了这颗脉冲星的信号到达地球的 时间，从而以极高的精确度绘出了两颗中子星的轨道。脉冲星在绕轨道运转时，因多普勒效应使脉冲发生异常，由此可 以推算出其轨道周期。从1974-1978年这段时期，泰勒等密切地注视， 不断地观测这一对双星脉冲星。为什么它们这么吸引人呢？因为它们 具有这样的特性：信号脉冲周期很短，是双星系统的一员，运动速度 高达光速的1 / 1000，轨道偏心率也很大，再加上相当强的引力场。 泰

10、勒认为，如果一个天体靠近另一个很大质量的星体运转，产生引力 波，运转轨道将会因所特有的能量损耗而渐渐变小，轨道周期也会缩 短。四、引力波的探测虽然科学家们一直在努力探寻宇宙中的引力波，但是，直到20 世纪70年代，都还没有找到引力波存在的直接证据。于是，只得退 而求其次，找间接证据。根据理论，相互绕转的双星脉冲星会发射引 力波。如果是这样，它们就会因发射引力波而损失能量，它们的轨道 周期会因此而缩短。于是，科学家便选定观测双星脉冲星的轨道周期 变化，来间接证实它们是否发射引力波。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

11、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。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。

12、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，或许能探测到宇宙大爆炸时产生的原始引力波。总之，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

13、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。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，至个有物质，到处有引力辐 射。约100年前对电磁波的验证，使人类从此进入电子时代

14、，取得了 惊天动地的巨大成就，那么，让我们设想一下，要是有朝一日，引力 波被完全确证，人类社会将会发生怎样深刻的变化呢？参考文献：胡乔木，中国大百科全书M，.中国大百科全书出版社，1987, 7, 1版，2236郭世琮，捕捉引力波的网络E， HYPERLINK /200406/ca434041.htm /200406/ca434041.htm 2004.6王娟，检验爱因斯坦预言2008.1董长军，关于地球引力波物理机制的理论概述与验证2006.7速度参考 HYPERLINK /question/5539138.html /question/5539138.html 2005.8秦荣先，陈嘉言，

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