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nenyan

铜虫 (初入文坛)

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[交流] 【2010征文】引力波简介已有58人参与

引力波简介

如何得到宇宙最古老的信息？星际间的通讯怎么解决？是否存在额外的维度？时间是否有起点？暗物质暗能量是什么？如果我们能够探测到引力波，上面这些问题，都有望得到答案。那么，什么是引力波？引力波，是时空的涟漪，是时空本身的振荡。这要从爱因斯坦的广义相对论谈起。广义相对论，是一个关于引力的理论，它告诉我们物质如何引起时空的弯曲以及在弯曲时空中物质将如何运动。在这个理论框架下，引力被几何化了，被表述为时空的弯曲。可以这么理解：物质与时空，他们有相互作用，物质的质量（能动张量）引起时空的弯曲（曲率张量），而在弯曲时空中，物体将沿着弯曲时空中弯曲的直线运动（测地线）。这好比在席梦思床垫上放一个重的西瓜，床垫可以看为时空，西瓜是有质量的物体，西瓜放上去，床垫弯曲了，在西瓜旁边放一个乒乓球，乒乓球会滚向西瓜，因为在弯曲时空中，它沿着短程线走，这里你如果不谈时空弯曲，那么就会表述成:大西瓜产生了引力把乒乓球吸引过来了。既然物质与时空可以相互作用，那么物质的振动会不会引起时空振动呢？就好比那大西瓜在席梦思床垫上振动，整个床垫都会振动，那么类似的情况会发生在我们的宇宙吗？答案是，会的。爱因斯坦引力场方程的波动解，在广义相对论创立之后一年就被爱因斯坦发现了。物质的振动可以让时空跟着振动，这种振动会传播开来，我们称它为：引力波。

我们去看看，引力波源有哪些？当然，你挥一挥手，也会产生引力波，只是太弱了。我们现在要谈的波源，是那些有潜力产生可能被我们探测到引力波的波源。要产生强的引力波，在实验室尺度显然困难，我们恐怕没有办法如赫兹发现电磁波那样，在实验室里就能设置产生装置和探测装置（当然有人研究实验室引力波源，人工引力波源，但效果不理想）。一般我们关注的是天体引力波源。比如两个黑洞融合过程，超新星爆发，黑洞的振动等。要知道，我们宇宙是大爆炸而来，因此，在宇宙大爆炸的时候，会产生强引力波，而这引力波应该遗留至今，就如同微波背景辐射，我们的宇宙应该也有引力波背景辐射存在，不过不同的宇宙模型下，预言的引力波背景很不相同，而如果我们能探测到遗留下来的引力波，这会给宇宙模型一个很强的限制。

现在，我们要谈到重点了。我们如何去探测引力波呢？最简单的，一个质量体，在引力波通过时，会压缩或拉伸，那么我们去观察这个拉伸和压缩就可以了。最早的引力波探测，就是如此，一个圆柱形的棒，我们来观察他的形变。这就是韦伯棒，又叫质量谐振引力波天线。这个方法达到的精度不高，最后没有取得有意义的结果，不过这是人类第一次探测引力波的实验。

人类目前投入最大的引力波探测实验基地，就是LIGO（激光干涉仪引力波天文台）。其实LIGO的工作原理很简单，就是迈克耳逊干涉仪测位移，测质量体在引力波通过时的位移。不过他的精度很高，高到地球和太阳这样的距离如果移动了一个氢原子大小的距离都可以测到。LIGO已经观测了大量的数据，目前没有发现引力波的存在。其实对于探测引力波的探测器来说，精度取决于两个方面，一方面是硬件，另一方面就是数据处理技术。因为引力波实在太微弱了，所以，微小的扰动都会对探测造成严重的干扰，噪声问题是引力波探测中最难解决的问题。硬件降噪的同时，得到数据如何把噪声分离，如何判断噪声数据中是否包含了信号（即引力波的信息），这对引力波探测来说非常重要。这些技术看起来不那么物理，但是这些是我们通向物理真理的必备工具。

除了测位移来寻找引力波外，上世纪七十年代后有人提出了电磁耦合探测方案。这一类方案是让电磁场和引力波相互作用，然后去观测电磁场的改变，从而发现引力波的存在。其中建立起实验设施的是意大利的球形谐振腔方案和英国的环行波导方案。意大利的谐振腔是两个球形腔用一个圆盘连接在一起，腔的固有频率可以调节，中间圆盘状单元即实施调频的功能，腔内储存着两种谐振模式的电磁场。引力波和超导腔壁的作用将产生一个运动，进而腔内的电磁场将感受到这个运动，产生能量转化。当引力波频率和腔内两种模式的电磁场的差频相等时，能量转化率最高。将若干个这种差频双球形谐振腔组成一个阵列，可以增大探测到高频引力波的几率。英国的方案利用了高频引力波和电磁波极化矢量的相互作用，其中的极化矢量绕着电磁波的传播方向转动。当电磁波的谐振条件建立起来之后，即电磁波和高频引力波的相位总是相同，效应将积累，并且增加波导管的数量可以线性地提高这个效应。
中国还没有建立引力波探测实验基地，不过有人提出了一套高斯束谐振的电磁探测方案。本文开头说过，引力波可以看成是时空的波动，当引力波通过一静磁场时，这种波动，时空的拉伸或压缩，会让静磁场变化，而变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场，会形成电磁辐射。然后用一个高斯型电磁波和这个电磁波谐振，从而高斯束会产生改变，通过探测这个改变，从而得到引力波存在的证据。这个方案的理论灵敏度很高。

说了这么多，引力波还是没有探测到，但很多引力物理学工作者都相信引力波应该是存在的。要说证据，起码有一个间接的证据，那就是著名的PSR1913＋16致密双星引力辐射阻尼实验。一旦我们能探测到引力波，那么我们就会从中得到很多重要的信息。要知道，我们的宇宙几乎在大爆炸之后立刻对引力波就透明了，而对于电磁波，是大爆炸后30万年才透明。因此，我们通过微波背景辐射，是无法直接得到大爆炸后30万年前的信息的。而引力波，将会让我们“看”到最古老的宇宙。这是多么令人期待的！

[ Last edited by 小木虫 on 2010-8-17 at 16:05 ]