共旋引力波理论初探（第一章对引力本质探索的历史回顾4）

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□ 干旱与大地震 □ 震兆霞光图解 □ 中国核电站概况 □ 哲学是立场学 □ 磁暴和地震

□ 人体生命动态平衡 □ 电流不是电子流 □ 恐龙灭绝是渴死的 □ 中英称谓之比较 □ 赵武灵王的改革

□ 在争论中学习与思考 □ 十维空间 □ 時間論 □ 瞑想的生理效应 □ 沙漠生产建设兵团

□ 中医脉搏的波形数字化 □ 地震不能报还是不去报 □ 相对论的哲学与审美 □ 我是怎样读书受益的 □ 我们无法看到现在

□ 常态和超常态思维 □ 人工制造地震释放应力 □ 高血压源于感染蛋白质 □ 登山远望 □ 中国风力发电潜力

伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com）　上传2007.09 访问450

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第四节寻找引力波验证爱因斯坦时空理论

伍岳明曹明富合著谨以此书献给2005——世界物理年！

引力波是否存在，这是广义相对论的一个关键性验证。因为引力波是广义相对论的重要推论之一；而且引力波探测将有可能打开又一扇天文观测的窗口。所以上世纪至今 ,世界少数发达国家倾注大量的人力、物力、财力于引力波的实验探测。改进的共振棒探测器已组成一个棒天线阵在运行中。在室内模型激光干涉引力波探测器的基础上 ,几个野外大型激光干涉引力波探测器正在紧张地建设中。其中美国的ＬＩＧＯ项目进展引人瞩目。太空引力波探测器的设想已被付诸实施。

引力波探测的意义非常深远：牛顿引力理论中没有引力波。如果能观测到引力波的存在 ,将是已成为物理学基本理论的广义相对论的重大胜利。另外,人类迄今为止获得的天文信息 ,除极少部分来自宇宙射线和中微子外,绝大部分来自电磁辐射。而电磁辐射是很容易被弥漫在宇宙中的星际物质吸收和散射的 ,这导致与巨型或高密度天体内部运动变化过程对应的信息极度匮乏。引力波由于不易被星际物质吸收和散射 ,穿透性极好,又往往伴随着巨型或高密度天体内部的剧烈运动变化过程产生 ,被寄希望于揭示中子星和黑洞等天体内部秘密、了解宇宙诞生和演化的有效工具。一般认为,引力波探测将打开又一扇天文观测的窗口 ,有可能导致一门新学科——引力波天文学的诞生。

共振棒引力波探测器引力波探测的开创性工作应归功于美国人韦伯（ J.Weber）。韦伯从1960年开始研究引力波的探测课题。韦伯最初的引力波探测器是一个高Ｑ值的铝合金圆柱体。引力波传过来时 ,时空本身发生变化,处在时空中的圆柱体棒的两端距离也发生相应的微小变化。若传来的引力波频率与铝棒的本征频率一致 ,铝棒就会在引力波的激励下振荡起来,并将引力波的信号放大Ｑ倍。这类金属圆柱体引力波探测器往往被称为共振棒探测器 ,也称共振质量探测器。韦伯在1969年发表文章说收到了多次引力波信号。这一激动人心的消息立刻引起科学界的轰动。数以十计的设计更科学、灵敏度更高的共振棒探测器在全世界各地被建造起来。但令人遗憾的是几十年来没有一个实验室能够得到与韦伯类似的结果。因此韦伯的实验结果迄今为止未被科学界接受。一般认为韦伯的实验结果可能由某种原因不明的噪声干扰所致。韦伯关于引力波探测器的许多实验思想被其它实验室采用并发展着。现在运行中的共振棒探测器已较韦伯的第一代棒天线大大改进。初期的棒探测器是在室温下工作的 ,现在则都在液氦温度下工作,大大降低了棒的本征噪声水平。多种超低噪声的传感器和直流超导量子干涉器件 (SQUID)被用于信号的转换和放大。目前位于意大利罗马、美国路易斯安娜州和澳大利亚珀斯等地的五、六个共振棒探测器组成一个棒天线阵 ,工作的灵敏度非常高。但是引力波在目前还没有用共振棒探测器直接测量到。

1974年美国人泰勒领导的实验小组，用射电望远镜对天空扫描，发现了离地球 15000光年的一颗脉冲星发来的脉冲信号，又经过4年的观测，间接证实了引力波的存在。脉冲星是急速旋转的中子星，它是一个内部停止了核燃烧而被压得极端紧密的恒星体。它与另一个中心星一起相互绕转，构成一个双星体系。按照爱因斯坦理论，这个双星体系应能发射引力波，从而带走一些能量，使双星轨道慢慢缩小，周期慢慢变短。这些变化尽管都很微小，却可以从它们发出的脉冲信号到达地球的时间精确计算出来。 4年的观测表明：轨道周期总共减少了万分之四秒。这个结果恰好与爱因斯坦的理论相符。这是人类第一次间接证实了引力波的存在。但是，这毕竟是间接证明，还不能由此得出引力波真实存在的结论。

70年代中期到 80年代中期，出现了工作在低温条件下的第二代引力波检测器(韦伯检测器算第一代 )。如美国斯坦福大学建成了低温引力波天线装置：天线是圆柱形的铝棒，长3米，重 48吨、工作在液氮温区，灵敏度达5×10，能检测出振幅为厘米即约千分之一原子核半径或者一百万亿分之一头发直径的振动。日本东京大学平川诺平教授的引力波检测工作也令人耳目一新。众多实验均以频率为千赫量级的高频引力波为检测对象，这是与科学家迄今所知道的最强天体引力波源相对应的。平川则创制了一种共振低频引力波检测器 (方形或扭摆型天线)，明确以蟹状星云中的高速自转脉冲中子星 NP0531+21为检测对象，该星所发引力波到达地面的强度约10量级。平川的引力波检测器分别设立在东京和筑波科学城，经在低温条件下的长时间积累，灵敏度已达 10。所有这些 ,反映人们对引力波探测的执着及不惜倾注大量的人力、物力、财力用于引力波的实验探测。

激光干涉引力波探测器共振棒探测器的优点是原理简单 ,体积不很大,可以将微弱的引力波信号放大Ｑ倍。但是共振棒探测器只有当引力波传播方向垂直于棒的对称轴方向 ,而且引力波频率与铝棒的本征频率非常接近时才会发生共振。所以共振棒探测器的探测频率范围相当窄。其固有振动频率一般为 1000Ｈｚ左右,频宽只有围绕中心频率的几个Ｈｚ。这使共振棒探测器的探测对象相当有限。相对于共振棒探测器而言 ,激光干涉仪可能更适合于引力波探测的观点是威斯(R.Weiss)和福沃德 (R.Forward)等人在上世纪70年代初提出来的 ,韦伯也做了很多探索性的工作。目前激光干涉引力波探测器的探测频率范围为100Hz～ 104Hz。激光干涉引力波探测器运用迈克尔逊干涉仪原理探测引力波,其基本组成部分是互成直角的长度相等的两个臂。激光器发出的光经分光镜后分成相互垂直的两束 ,被臂端的反射镜反射回来,光电接收器记录两束反射光的相位差变化。显然激光干涉引力波探测器的探测频率范围也是太窄、频率太高了，因为星球自转速度很慢，频率很小、波长很长，如太阳系的星球的引力波波长均在以上，笔者认为：在地球上不想方设法是很难观测到引力波的。

□ 干旱与大地震	□ 震兆霞光图解	□ 中国核电站概况	□ 哲学是立场学	□ 磁暴和地震
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□ 中医脉搏的波形数字化	□ 地震不能报还是不去报	□ 相对论的哲学与审美	□ 我是怎样读书受益的	□ 我们无法看到现在
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