引力波的特性及探测

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1、引力波研究概述电联朱星华学号241　引力波我们知道，波是物质周期性运动在空间的传播，如机械波和电磁波。电磁波是一种电场、磁场间相互变化的形式。早在1916年爱因斯坦就提出了引力波的存在，他预言引力波类似于在平静的水面投石激起的波浪，是物质的加速运动在引力场中激起的“涟漪”。1918年他撰写了《论引力波》的论文，提出了加速的质量可以有引力波及引力波的传播等问题。后来在1937年他和N·罗森合作进一步证明了引力波的产生和传播等问题，说明了引力场和电磁场一样可以以波的方式辐射和传播，而引力波的波速就是光速c。但是由于他提出的引力

2、波和坐标系有关，即在一个参考系中引力波存在，换一个参考系可能就没有了，因此大多数人持怀疑态度。1956年皮拉尼(Pirani)提出了一个与坐标系无关的引力波定义，1957年邦迪(Bondi)从理论上对平面引力波的存在作了证明。人们还认识到引力波具有潮汐力的特征。假定粒子环所在的平面与引力波传播方向垂直，它将被潮汐力扭曲如图1:图1　在一个周期内粒子环受引力波场的潮汐力作用后的扭曲形状1959年邦迪、皮拉尼和罗宾森(Robinson)进一步证明，静止的物体在引力波的脉冲作用下会产生运动，间接证明了引力波携带有能量，因而可以被

3、探测到。引力波的产生在某些方面也与电磁波类似。运动的物体辐射出振幅正比于电荷量和其加速度的电磁波。物体的“引力荷”就是其质量，所以引力波振幅和物体的质量及加速度成正比。但是根据动量守恒定律，孤立系统不能有加速度，所以一个加速物体辐射出的大部分引力波将被反冲物体辐射的引力波相抵消。如果这两个物体不是位于完全相同的位置上，则物体位置的微小偏差意味着它们辐射的引力波到达某一点的时间是不同的，不会完全抵消，总会有一部分引力辐射能逃逸出来。逃逸出的引力波辐射能量取决于该物体质量分布的不均匀程度，这种不均匀程度的量度是一个称为四极矩的

4、量。当一个大质量物体的四极矩发生迅速变化时，就会辐射出强引力波，运动物体密度越高，速度越大，辐射的引力波就越强。这就意味着只有在宇宙空间才会产生强度可探测的引力波。4爱因斯坦著名的质量四极矩公式给出引力波辐射的大小。引力波源所辐射的总功率正比于质量四极矩对时间三次导数的平方，可表述为，(1)式中Ｅ为引力波源所具有的总能量，Ｇ是牛顿万有引力常数，(i，j=1，2，3)，(2)是质量密度为ρ的的辐射系统的四极矩，是Kronecker符号。普适常数为，(3)假定辐射是各向均匀的，则距离波源为Ｒ的地方，引力波的能流密度为，(4)由

5、于的出现，(4)式中的能流密度将是极其微弱的。例如，两个以光速相撞的黑洞辐射出的引力波的能量达。超新星爆发时，若爆发恒星质量为太阳质量的两倍，则辐射的引力波功率可达。如果事件发生在银河系中心，在地球上产生的引力波能流为，作用于人体只能产生的变化。双星系统、中子星、白矮星等高密度天体辐射的连续引力波到达地面的能量通量只有。以上几种过程产生的引力波在经过地球时都会留下微弱而短暂的痕迹，地球上的物体受到轻微“挤压”的位置移动约为(相当于质子大小的百万分之一)。在自然界存在三种类型的引力波辐射。一种是在恒星寿命终了时的超新星爆发、

6、高密度天体的引力坍缩或两个以光速相撞的黑洞等突发事件发生时发射出的脉冲式、强度大、时间短暂的引力波。再一种是双星系统、中子星和白矮星及其他旋转天体发射的频率确定的引力波。第三种是无规则背景的引力波，如宇宙极早期物理过程中发射的引力波等。这三种引力波的强度取决于一些完全不确定的参数(如星体形状等)。2　引力波的特性人们通过研究，初步认识到引力波具有如下主要性质:1)引力波在真空中以光速传播；2)引力波携带有能量和与波源有关的信息；3)引力波是横波，在远离波源处为平面波；4)最低序的引力波辐射为四极辐射；5)引力波辐射强度极弱

7、，两个质子组成的旋转体系辐射的引力波强度只有它辐射的电磁波强度的；6)物质对引力波的吸收率极低；7)偏振特性为两个独立的偏振态。4比较引力和电力的异同有利于理解引力波的特性。引力和电力都遵循平方反比定律。但是，自然界中有正、负两种电荷，电力有吸引力(异种电荷之间)和斥力(同种电荷之间)，而普通物质的质量(引力荷)只有一种(即正物质)吸引力，而且是同性吸引；引力极弱，比电力小倍。一般物体之间引力难以表现出来，如宇航员在空间站外行走，人与站之间的引力极小，必须用绳拴着行走。氢原子核和核外电子靠电力约束，电子的轨道半径只有。若由

8、引力维持，则氢原子的半径比现在宇宙半径大1000多倍(达)；引力在局部范围内能够利用加速度来产生或消除，如失重(消除了引力)和超重(产生附加引力)；电力可以屏蔽，(大概与带正、负电荷有关)，引力暂没有办法屏蔽；引力能使时空发生弯曲，可以几何化，而电力没有这个特性。由于电力与引力的不同，电磁波和引力波也表