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引力波的两个独立偏报态的力线和质点的受力图

  以波动形式和有限速度传播的引力场。虽然,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。

  广义相对论预言,引力波的主要性质有:①在真空中以光速传播;②携带能量和与波源有关的信息;③是横波,在远源处为平面波;④最低次为四极辐射;⑤辐射强度极弱(如两个质子组成的旋转体系辐射的引力波强度约为它所辐射的电磁波强度的1/1037);⑥物质对引力波吸收效率极低,穿透性极强(如地球对引力波几乎是透明的);⑦其偏振特性为两个独立的偏振态等。

  由于引力辐射极弱,目前还不可能在实验室里发射可供探测的引力波。大质量天体的激烈活动可发射出强引力波。例如,双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波。

  可以通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力辐射的存在。双星是一种典型的引力波辐射源。双星由于不断辐射引力波,能量逐渐减小,从而使间距变小,公转周期变快。所以,通过对双星体系公转周期变化等参数的观测,即可定量验证引力辐射阻尼的存在。J.H.泰勒等测得射电脉冲双星 PSR1913+16 的公转周期 Pb=27906.98172±0.00005秒(1978年11月的值),周期变率 dPb/dt=(-3.2±0.6)×10-12;而根据广义相对论,此双星体系由于辐射引力波,公转周期会有如下的变率:dPb/dt=-2.6×10-12。实测值在20%的误差范围内与广义相对论预言值相符。这是引力波存在的第一个间接定量证据。检验引力波存在的第二个方法是直接探测。引力波携带能量,穿过物体时可使物体获得能量而产生运动。因此,可用质量体系做天线,直接接收天体源发射来的引力波。引力波传播时,在垂直于其前进方向的平面内的场是不均匀的。在垂直前进方向的平面内,两独立偏振态在某一时刻的力线梯度与处于该平面内的四个检验质量A、B、C、D的受力和运动方向如图所示。引力波穿过时,质点随着波的传播而作共振运动。美国马里兰大学的J.韦伯首创用一根铝棒作为天线进行观测。天线的灵敏度与其温度成反比,与其质量和品质因数的平方根(Q1/2)成正比。所以,现在发展中的天线多采用低温(一般用到1~4.2K,最低计划用3mK)、大质量(最大为5吨)和高品质因数材料(单晶材料Q约为109)作天线。为了排除声、电、机械干扰,天线都被置于非常严格的隔离环境中,并用相距很远(上千公里)的两地符合来增加置信度。进行过这种观测的有十几个组,只有韦伯宣称探测到了不能排除是引力波的信号。其他实验室都没有得到这一结果,所以韦伯的结果没有得到公认。现在研制中的低温大质量天线、低温高品质因数材料(单晶)天线和长基线高功率激光干涉仪等的最高灵敏度,都要求达到能够探测近邻星系中超新星爆发的引力辐射的水平。

  参考书目

  韦伯著,陈凤至、张大卫译:《广义相对论与引力波》,科学出版社,北京,1977。(J.Weber,General Relativityand Gravitational Waves, Interscience Publ.,NewYork,1961.)

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