一、引力波探測的主要背景

引力波是愛因斯坦和其他物理學家提出的關于廣義相對論的四大預言之一" 未來在引力波探測的研究中所獲得的突破" 將可能比其他預言產生更為巨大而深遠的影響"甚至大大促進人類文明的進程# "$"% 年愛因斯坦發表了他的廣義相對論"并在該理論的基礎上預言了引力波的存在$到目前為止"廣義相對論一些重大預言都被實驗證實了" 它們包括水星近日點的進動%光線在引力場中的彎曲!光譜線在引力場中的頻移" 以及由此而延伸的關于雷達回波的延遲等$這些成果又進一步推進了相對論在天文觀測!相對論天體物理!宇宙學甚至高能物理和廣義相對論的交叉領域等方面的應用$ 此外"廣義相對論還預言了黑洞的存在" 隨著近些年來科學技術和觀測手段的迅速發展" 黑洞的存在及其物理效應也在多方面露出端倪$ 而引力波至今還沒有獲得直接探測的認證" 除了對脈沖雙星輻射阻尼提供了引力波存在的一個間接證據外 &該成果獲得了 "$$) 年諾貝爾物理學獎’"引力波的直接檢驗可以說還沒有獲得真正的突破$ 廣義相對論的其他驗證" 可以說大多數是在靜態或準靜態的$ 當然"由于愛因斯坦引力場方程的高度非線性特征"在強引力場的情況下"即使是在靜態引力場"也是非線性引力效應$ 而引力波則是一個非靜態的引力效應" 而強引力輻射既是非靜態又是非線性的引力效應" 加之引力作用的微弱性和不可屏蔽性" 這無論在理論上還是在實驗觀測上都帶來了很大的困難$ 因此"人們對引力波的研究經歷了一個漫長而艱苦的過程$ 上個世紀 +#,%# 年代" 由于關于引力波的一系列重大理論問題的相繼解決" 使得引力波的存在已在物理學界形成了共識$ 由此才使對引力波的探測從純粹的理論研究開始步入實驗觀測階段$

二、引力波源和引力波探測的現狀

理論研究表明"引力波是橫波"以光速傳播$ 由于它的高度非線性"它不具有像電磁波%機械波的反射%干涉%衍射等性質"也不滿足疊加原理$它的作用qr7物理好資源網(原物理ok網)
!" 卷!期#總"##期$qr7物理好資源網(原物理ok網)
截面非常小"穿透能力非常強$ 它能穿越時空穿透地球$ 因此它能攜帶古老而遙qr7物理好資源網(原物理ok網)
遠的信息"但它又是非常微弱的$因而探測引力波首先必須對引力波源進行分析$許多科學家對引力波進行了富有成效的理論考察"迄今為止"認為可能的引力波源可分為兩大類" 天體引力波源和實驗室&人工’引力波源$ 前者包括三類(連續源%爆炸源和隨機源- 實驗室引力波源雖然早在上世紀 %# 年代曾被韋伯&./0/1’提出"但直至近幾年來"由于相關技術的迅速發展" 才導致它又成為理論和實驗研究的熱點在 "$"2 年"即在建立引力場方程不久"愛因斯坦就得到了引力場方程的近似波動解" 從而在理論上預言了引力波的存在# 而具有周期性變化質量四極矩的物質系統會發出連續引力波# 宇宙中質量四極矩會產生周期性變化的天體有雙星系統% 旋轉致密星體%非徑向對稱振動的致密星體#在眾多的天體連續引力波源中" 雙星系統的運動狀態是最為穩定的#雙星引力輻射使雙星系統的引力能量減少"結果是軌道周期%長半軸和偏心率均變小#由此可以很容易測出軌道周期及其他一些運動學參數# 這些參數除了用作天體物理學研究以外" 還可以用作廣義相對論引力輻射性質的間接檢測#qr7物理好資源網(原物理ok網)
旋轉致密星體是另一類相當確定的連續引力波源#具有非軸對稱質量分布的天體旋轉時"就有引力輻射# 由于引力輻射和無量綱振幅正比于星體自旋頻率的平方" 尋找高速旋轉的致密星體無疑對引力波探測研究是有利的# 估計旋轉致密星體的引力輻射強度的結果往往帶有一定的主觀隨意性" 這些主觀隨意性"一是來自計算所采用的物理模型"二是來自旋轉星體橢圓率的估計#qr7物理好資源網(原物理ok網)
此外" 星體的非球對稱振幅也會輻射連續引力波" 比如太陽就有各種不同類型的非球對稱振動模式#理論上"這種非球對稱振動模式對于其他致密星體也應該存在! 但由于我們對致密星體振動了解甚少" 目前還難以對它們引力輻射的性質做出合理的估計!與天體連續引力波源相反"具有非周期性變化質量四極矩的物質系統會發射非連續引力波" 即爆發引力波"或稱脈沖引力波!宇宙中會產生這種非周期性變化質量四極矩的天體事件有超新星爆發和坍縮#球狀星團內黑洞的生成#星系核和類星體內黑洞和生成#致密雙星坍縮#星體被黑洞俘獲#中子星星核振動等! 這些天體物理事件稱為天體爆發引力波源!qr7物理好資源網(原物理ok網)
天體爆發引力波源出現的時間# 出現的方位有很大的隨機性" 它的運動的方式和持續時間彼此之間存在著很大的差異! 由于這些爆發事件幾乎都是一次性的"不會重復出現"使得我們難以對這些事件有一個準確的認識!qr7物理好資源網(原物理ok網)
對天體爆發引力波源的分析大多基于一些基本的理論模型! 這些理論的假設一般包括引力輻射總能量和假設#引力輻射功率的假設"以及爆發時間的假設等!qr7物理好資源網(原物理ok網)
與天體連續引力波源相比" 天體爆發引力波源的出現有很大的隨機性" 對它們輻射性質的分析亦有很大的主觀隨意性! 這種主觀隨意性主要表現在物理模型的建立" 對引力輻射功率譜的假設和轉化因子的估計上! 因此"隨著人類對宇宙認識的深入" 關于天體爆發引力波源的某些結論可能會被不斷地修正!qr7物理好資源網(原物理ok網)
除了在銀河系的星系中的個別天體引力波源" 包括比較確定的天體連續引力波源和在時間和方位上都具有隨機性的天體爆發引力波源已被研究得較為清楚外"在全宇宙中還有大量的引力波源! 這些引力波源由于數量巨大" 在全天區的徑向分布和角向分布都十分分散" 難以對它們各自的引力輻射性質加以區分和估計! 這些天體引力波源輻射的連續引力波和爆發性引力波相互疊加形成了一種隨機背景引力輻射! 形成這種隨機背景引力輻射的主要機制有兩種! 一是數量龐大的密集雙星系統輻射的連續引力波$ 另一種主要機制是黑洞形成前期的引力波! 針對大爆炸宇宙模型中的均勻性#視界困難"以及大爆炸理論本身不能解決時空爆炸的奇點的起源問題" 科學家們分別 !"#!#!"$% 和 !"$& 年提出了暴脹宇宙模型# 暴脹宇宙模型修正方案和混沌暴脹宇宙模型! 按照這qr7物理好資源網(原物理ok網)
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種模型"當宇宙處于 ’(^)*+,’(^)*% 秒間"宇宙經歷過一個急劇的膨脹階段! 在這段時間內"宇宙的尺度增長了 ’(⁺⁽,’(^-( 個數量級! 近年來"人們運用精質暴脹宇宙模型對天文觀測數據進行分析表明"在 ’(^"./ 頻段附近應有一個對應宇宙急劇膨脹階段的遺跡引力波%01234 567839793:;72 <781=&峰值區! 如果理論分析正確" 在引力背景輻射中就應該包括這一部分! 很長一段時間"人們認為幾乎不可能在實驗室產生引力波! 直到現在"雖然沒有能夠在實驗室產生可供觀測的引力波" 但理論研究卻是熱點!qr7物理好資源網(原物理ok網)
其次"在引力波探測方面"也有一大批人為之付出了艱辛的努力" 并取得了豐碩的成果" 到現在為止"可能的探測方法可分為三種!qr7物理好資源網(原物理ok網)
第一種是利用引力波的潮汐效應" 即在引力波作用下兩個質點之間的距離會發生微小變化! 例如利用引力波天線或利用激光測量兩個質點之間距離的變化!實驗上探測引力波的先驅工作"是美國馬里蘭大學韋伯在實驗室建成的第一個引力波探測器! 它是一個重 ’>? 噸的鋁棒! 引力波使鋁捧同期性的伸長縮短" 固定在捧上的壓電晶體將記錄下這種振動! 人們從引力波的潮汐效應計算出它在該探測器上引起的應變"在原則上是可以被探測的! ’"@" 年韋伯公布了他們研究小組的實驗數據" 并宣稱探測到了振幅達 A!’(^)’+ 的在 B./ 頻帶的引力波! 但韋伯的研究結果始終未能被重復驗證" 后來其他一些精度遠高于韋伯棒的實驗小組均未發現韋伯宣稱的引力波信號" 而且還由于找不到合適的理論模型來解釋韋伯的結果"所以科學家一般認為"韋伯得到的信號并非來自宇宙的引力波"而僅是噪聲而已!盡管如此" 韋伯的工作卻成了世界各地開展引力波探測工作的先導! C( 年代以后"世界各地 ’( 多個小組開展了這方面的工作" 除了按照韋伯棒原形而改進的低溫引力波天線外" 還有大型的激光干涉引力波觀測站"以及擬議中的空間激光干涉引力波觀測站"它們在檢測精度上所達到的先進水平已得到人們的公認!激光干涉引力波探測器的基本原理"即人們熟悉的邁克爾遜%D34A12=:;&干涉儀"但其臂長要長得多!而且采用了激光技術和多次反應效應"這樣使兩個臂長的相干光合成后的干涉條紋顯示的檢測精度"遠高于通常的邁克爾遜干涉儀!在引力波的作用下" 光電轉換器接收到的從兩個光臂上來的光束的現代物理知識位相差就會變化!其臂長越長!能探測到的相位差就越大"qr7物理好資源網(原物理ok網)
目前世界上正在運行的激光干涉引力波觀測站有#美國路易斯安那州利文斯敦的一臺!其臂長為 ! 千米"另外為美國華盛頓州的兩臺!其臂長分別為 ! 千米和 $ 千米! 它們的英文名字為 %&’(! 即 %)*+, &-.+,/+,01+.+, ’,)23.).30-)4 5)2+ (6*+,2)% .0,7 的縮寫"其峰值靈敏度為 8&"#^9$8$":#;<%& 法國和意大利在比薩建立臂長為 8 千米的激光干涉引力波天線 $簡稱為 =&>’(%! 其峰值為 "#^9$$ $?##;<%& 德國和英國在漢諾威建成的臂長為 @## 米的激光干涉引力波天線 $簡稱為 ’A(@##%!由于采用了最為先進的干涉儀! 盡管其臂長小于 %&’( 和 =&>’(! 但其峰值靈敏度仍可達 :&"#^9$8 $@##;<%&日本東京大學所建成的臂長為 8## 米的激光干涉引力波天線!簡稱為 BCDC8##E由于采用了低溫技術! 其峰值靈敏度為 ?&"#^9$" $F##9 "###;<%& 事實上!由于激光干涉儀的兩臂中的相干光來回反射! 因而其有效臂長比其幾何尺度大得多& 例如!在 %&’( 的每一條光臂中的激光束要來回反射 "## 次左右! 從而使其有效臂長延伸到 !## 千米左右& 為了避免地面探測中所遇到的地面振動噪聲’ 電磁噪聲以及地球本身引力場和引力梯度的影響! 并期望探測宇宙中可能存在的大量的低頻引力波(其頻率成分在 ";< 以下%!美國航天局(GCHC%和歐洲空間局(AHC%已計劃在 $#"" 年發射 8 顆攜帶激光的衛星!這些衛星將構成一個邊長為 ?## 萬千米(相當于地月距離 "# 倍以上%的等邊三角形!探測頻帶主要在 "#^9!;< 范圍的低頻引力波& 這實際上是一個臂長為 ?## 萬千米的激光干涉儀! 這就形成了一個空間干涉的天線陣列!因其靈敏度也將提高許多倍)這稱為激光干涉空間引力波天線(%)*+, &-.+,/+,01+.+, HI)J+ C-.+--)!其縮寫為 %&HC%& 由于 %&HC 處在一個高真空而遠離地球的環境! 因而它避免了由于地球的多種環境噪聲所造成的影響& %&HC 最可能探測到的將是星系中質量極大(相當于 "## 萬甚至 "# 億個太陽的質量% 的黑洞相互旋轉運動時發出的低頻引力波& 此外!我國目前已在醞釀的 CHB>(K(意指用光學裝置進行相對論天體動力學的空間檢測%計劃&也是一個小型的空間激光干涉引力波探測方案! 其探測頻率為 "#^9@L"#⁹⁸;< 的低頻段&由于 CHB>(K 只須發射兩個飛船分別在地球公轉軌道兩側的兩個軌道上!所以它比 %&HC 的成本和規模要小得多& 但因與 %&HC 分析信號的方法和探測的頻帶有所不同!所以它與 %&HC 計劃有一定互補性&qr7物理好資源網(原物理ok網)
第二種探測引力波的方法是測量系統因輻射引力波所帶來的能量損失!這種方法屬于間接方法&根據廣義相對論! 雙星系統是一種旋轉著的質量四極矩!它應能以輻射引力波的方式輻射能量&與所有束縛在一起的二體引力系統一樣! 其運行軌道周期將隨著能量的輻射而減少& $# 世紀 @#’F# 年代!天文學以及天體物理學的進展表明! 某些天體有可能輻射強大功率的引力波& 要使這些天體產生的物理效應能被測量!至少應滿足兩個條件#軌道非常小(兩子星足夠近%!以使廣義相對論效應盡量明顯)有一種精度很高的軌道周期測量方法&泰勒(B)740,%和赫爾斯(;M4*+%在 "NF! 年發現的脈沖雙星^!O>H"N"8P "@ 正好滿足這些條件&該雙星的兩子星的最大距離只有 "#^""J1 的量級(約一個太陽半徑%!一個子星為脈沖星則使以上條件得以滿足# 由于脈沖星所發脈沖的周期被譽為*鐘一般的準確+!泰勒及其合作者們便能以異常高的精度觀測! 從而推算出軌道周期變化率" 經過 ! 年來上千次的觀測!他們于 "NF: 年宣布了對軌道周期變化率的觀測結果! 與線性引力論的四極輻射公式計算的理論值吻合得很好" 這是引力波理論提出 @# 年來關于引力波攜帶能量的第一個定量觀測證據!雖然只是間接證據"他們后來又對這一脈沖雙星繼續觀測并取得進展! 終于獲得了qr7物理好資源網(原物理ok網)
"NN8 年諾貝爾物理獎"qr7物理好資源網(原物理ok網)
第三種探測引力波的方法是引力波的電磁響應!其原理是引力波與電磁波發生相互作用后!會產生一些平直時空中沒有的新的物理行為 (如傳播方向’極化方式’分布和位相等%!該方法目前在理論上非常熱門! 已經有不少實驗室正在準備進行實驗"

qr7物理好資源網(原物理ok網) ! 脈沖雙星("#$%&’ ()*+%&%是指一個子星為脈沖星的雙星!,-. 是脈沖星的識別符!/012 和314 分別代表它的赤經和赤緯(角度坐標%"qr7物理好資源網(原物理ok網) !" 卷!期#總"##期$qr7物理好資源網(原物理ok網) ,?,

在第三種方法中! 目前理論上最關注的是利用實驗條件在實驗室產生和引力波相互作用的電磁場!從而檢測引力波的存在(包括天體源和實驗源%"然而!由于引力波振幅非常小!而且和電磁場的作用截面也非常小!并且早些時候的計算表明!引力波與電磁場的相互作用與磁分量的強度! 作用區域成正比"但由于實驗條件的限制!強電磁場和大的作用區域受到很大的限制!為此!許多科學工作者考慮了很多巧妙的方法以提高探測的可能性! 比如葛瑞斯確克#!"#$%&’()$等考慮用腔量子電動力學的方案來獲得更大的擾動效果! 重慶大學引力波研究組在采用高斯束和靜磁場結合獲得引力波諧振! 得到了迄今為止在實驗室探測引力波#特別是高頻區域$方面最好的效果%

三、新的動向和發展趨勢

下一代激光干涉引力波探測儀 目前精度最高的 *+,- 的探測峰值設計精度為 ./⁰¹²! 即使能達到這一精度!按照比較公認的看法是!觀測到引力波的幾率也不會超過 3/4" 計劃到 1//5 年完成的改進后的 *+,- 的精度將有進一步的提高! 其激光器的功率將從 ./ 瓦增加到 .6/ 瓦!.. 千克重的二氧化硅玻璃反射鏡也將被 2/ 千克的藍寶石晶體代替!這些改進使其靈敏度提高工作效率 1/ 倍!由于在這一過程中采用了量子無破損檢測技術! 從而其檢測精度可望達到測不準原理所允許的量子極限的兩倍" 另外! 日本也將計劃 78982// 的干涉儀臂長由現在的 2// 米擴展到 2 千米! 并將建造在神岡礦井的地下深處"加之采用超冷卻藍寶石反射鏡!在探測頻率低于 :/;< 時!其靈敏度可達到與第二代 *+,- 媲美的水平"qr7物理好資源網(原物理ok網)
激光干涉空間引力波天線 即上面提到的美國 =8>8 和歐洲 ?@8 的 *+@8 計劃和我國擬議中的 8@AB-C 計劃’ 科學家們正在為實現這些計劃而努力工作"qr7物理好資源網(原物理ok網)
高頻遺跡引力波和新的探測方案 前面得到的探測引力波的頻率均在千赫茲和更低的范圍! 這是一般天體運動引力輻射所確定的范圍" 然而近年來精質暴宇宙模型 (D(EFGH$$HFGEIJ EFKJIGELFI"M NLOP$$ 預期了峰值在 ./^Q;< 的高頻遺跡引力波! 且振幅量級可達 ./^02/!從而成為電磁探測的最佳窗口% 特別是由于超強場物理超導量子流體&高 R 值超導微波腔&納米技術&高能實驗室天體物理迅速發展!為上述高頻引力波的探測提供了技術上的可能性% 目前英國的伯明翰大學建成的波環形波導和瑞典天體物理中心建成的雙球形超導耦合微波腔! 正是針對上述高頻引力波的探測而設計的%當然!由于遺跡引力波的隨機性質! 它比單色連續引力波的探測要更為困難%  

四、激光技術使火星數據傳輸速度提高!"倍

美國宇航局打算在 1//Q 年向火星發射火星探測器(9I"$ 7PJP&LNN(FE&IGELF$ -"SEGP"$!該探測器將首次裝備遠距離通訊激光裝置% 美國宇航局科學家聲稱! 利用紅外激光可以使從火星軌道向地球傳輸數據速度比現有傳送器快 ./ 倍甚至百倍% 新裝置通信能力達到每秒 . 兆!2 兆比特!可以滿足從火星或更遙遠行星與地球之間的通話! 而現在科學家不能獲得火星探測器或火星車大部分信息!正是由于受到通訊線路通信能力的限制% 確實!利用激光束作為通信線路也有缺點!它會受qr7物理好資源網(原物理ok網)
到云團的阻礙% 計劃作者打算通過在世界各地架qr7物理好資源網(原物理ok網)
+5,qr7物理好資源網(原物理ok網)
設幾臺望遠鏡來克服這一缺點!由口徑從 /T6!3 米的望遠鏡來接收信號% 比如! 火星探測器上一臺 /T2 米口徑望遠鏡發出的激光束!能十分準確地瞄準地球上目標! 如果是現有火星探測器發出的無線電波束!則會U覆蓋U整個地球!而在同樣距離上的激光束抵達地球后只是直徑為幾百千米的U斑點U% 另一方面! 這會使接收原本非常微弱的激光信號變得異常困難!為了記錄到微弱激光信號!工程師正在研制一種新型光接收器! 它們的靈敏度比目前使用的光接收器更高%qr7物理好資源網(原物理ok網)
在火星探測器上仍將安裝無線電設備!該衛星將成為第一顆另一行星的太空探測器!不僅可以用于科學研究!也可以用作轉發器!它將在未來軌道探測器與著陸器之間建立通訊!同時也可以在火星車與地球之間建立通訊%qr7物理好資源網(原物理ok網)
(周道其譯自)烏克蘭新聞時報*1//:V./V./$qr7物理好資源網(原物理ok網)
現代物理知識qr7物理好資源網(原物理ok網)

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