引力波的发现历程

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，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、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阊的“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。l960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l.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。

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l974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PSRl913十16的脉冲伴星，

由具有1.4倍的太阳质量(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l974-1978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l／l000，轨道偏心率也很大，再加上相当强的引力场。泰勒认为，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，测得它们的轨道周期以每