第十講：引力波及其探測(cè)

1、1 第十講第十講 ： 引力波及引力波的探測(cè)引力波及引力波的探測(cè) 2 問(wèn)題： 什么是引力？什么是引力波？ 3 萬(wàn)有引力的本質(zhì)萬(wàn)有引力的本質(zhì) 人們熟知的萬(wàn)有引力的本人們熟知的萬(wàn)有引力的本 質(zhì)是什么？質(zhì)是什么？ 牛頓認(rèn)為是一種即時(shí)超距牛頓認(rèn)為是一種即時(shí)超距 作用，不需要傳遞的作用，不需要傳遞的“信信 使使”。 愛(ài)因斯坦則認(rèn)為是一種跟愛(ài)因斯坦則認(rèn)為是一種跟 電磁波一樣的波動(dòng)，稱為引電磁波一樣的波動(dòng)，稱為引 力波。力波。 4 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-牛頓的引力理論牛頓的引力理論 牛頓認(rèn)識(shí)到將蘋果拉向地球的力很可能與使月牛頓認(rèn)識(shí)到將蘋果拉向地球的力很可能與使月 亮圍繞地球轉(zhuǎn)的力是一樣的。那么，所有物體亮

2、圍繞地球轉(zhuǎn)的力是一樣的。那么，所有物體 之間一定存在一種吸引的力，并稱之為引力。之間一定存在一種吸引的力，并稱之為引力。 所有物體都互相吸引。質(zhì)所有物體都互相吸引。質(zhì) 量越大，引力越大，但隨量越大，引力越大，但隨 離開物體距離的增大而減離開物體距離的增大而減 小。這就是引力定理。小。這就是引力定理。 5 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-牛頓的引力理論的貢獻(xiàn)牛頓的引力理論的貢獻(xiàn) 牛頓的理論解決了許多他那個(gè)時(shí)期的難題，牛頓的理論解決了許多他那個(gè)時(shí)期的難題， 包括的包括的潮汐產(chǎn)生原因潮汐產(chǎn)生原因，地球和月亮的運(yùn)動(dòng)，地球和月亮的運(yùn)動(dòng)， 以及彗星的軌道問(wèn)題以及彗星的軌道問(wèn)題。 雖然牛頓的理論解釋了什么是引力，

3、但是，雖然牛頓的理論解釋了什么是引力，但是， 在隨后的在隨后的300300年中，引力產(chǎn)生的原因仍然年中，引力產(chǎn)生的原因仍然 是個(gè)謎。是個(gè)謎。 6 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-牛頓的引力理論的缺陷牛頓的引力理論的缺陷 隨著科學(xué)家們發(fā)展出更好的天文學(xué)工具，隨著科學(xué)家們發(fā)展出更好的天文學(xué)工具， 他們發(fā)現(xiàn)他們的觀察結(jié)果跟牛頓理論預(yù)言他們發(fā)現(xiàn)他們的觀察結(jié)果跟牛頓理論預(yù)言 的有些稍微的差別。的有些稍微的差別。 比如說(shuō)，牛頓理論對(duì)于比如說(shuō)，牛頓理論對(duì)于水星運(yùn)行軌道的預(yù)水星運(yùn)行軌道的預(yù) 測(cè)與實(shí)際觀察的結(jié)果測(cè)與實(shí)際觀察的結(jié)果稍微有些不同。稍微有些不同。 如果太陽(yáng)突然消失，將會(huì)發(fā)生什么事？如果太陽(yáng)突然消失，將會(huì)發(fā)生

4、什么事？ 該該 問(wèn)題的解釋不能令人滿意。問(wèn)題的解釋不能令人滿意。 7 根據(jù)牛頓的理論，整個(gè)宇宙都會(huì)立刻覺(jué)察根據(jù)牛頓的理論，整個(gè)宇宙都會(huì)立刻覺(jué)察 到太陽(yáng)的消失。這就意味著所有環(huán)繞太陽(yáng)到太陽(yáng)的消失。這就意味著所有環(huán)繞太陽(yáng) 的行星都會(huì)沿切線方向飛離環(huán)繞軌道。的行星都會(huì)沿切線方向飛離環(huán)繞軌道。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-牛頓的引力理論的缺陷牛頓的引力理論的缺陷 8 愛(ài)因斯坦的解釋：愛(ài)因斯坦的解釋： 信息能瞬時(shí)通過(guò)宇宙?zhèn)鞑サ倪@個(gè)思想被稱為信息能瞬時(shí)通過(guò)宇宙?zhèn)鞑サ倪@個(gè)思想被稱為 超距作用超距作用。愛(ài)因斯坦和其他很多科學(xué)家都被。愛(ài)因斯坦和其他很多科學(xué)家都被 超距作用所困擾，因?yàn)樗馕吨畔⒖梢詡鞒嘧饔盟?/p>

5、擾，因?yàn)樗馕吨畔⒖梢詡?播得比光還快。播得比光還快。 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在 1916 1916 年終于解決了超距作用這年終于解決了超距作用這 個(gè)問(wèn)題。他解釋，重力不像牛頓說(shuō)的那樣是個(gè)問(wèn)題。他解釋，重力不像牛頓說(shuō)的那樣是 瞬時(shí)傳播的，它的傳播需要時(shí)間。瞬時(shí)傳播的，它的傳播需要時(shí)間。 愛(ài)因斯坦以詳細(xì)的理由說(shuō)明離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行愛(ài)因斯坦以詳細(xì)的理由說(shuō)明離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行 星會(huì)越遲知道太陽(yáng)消失了，所以較近的行星星會(huì)越遲知道太陽(yáng)消失了，所以較近的行星 會(huì)先飛離軌道。會(huì)先飛離軌道。 9 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論 日常經(jīng)驗(yàn)讓我們得到：物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。日常經(jīng)驗(yàn)讓我們得

6、到：物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 秒秒公里公里/80 1 v 三者觀察汽車速度是不一樣的三者觀察汽車速度是不一樣的 科學(xué)家們認(rèn)為，因科學(xué)家們認(rèn)為，因 為地球是在圍繞太為地球是在圍繞太 陽(yáng)運(yùn)行，陽(yáng)運(yùn)行，如果我們?nèi)绻覀?沿不同方向測(cè)量光沿不同方向測(cè)量光 的速度，將得到不的速度，將得到不 同的結(jié)果。同的結(jié)果。 1895 1895 年，阿爾伯特年，阿爾伯特邁克爾遜和愛(ài)德華邁克爾遜和愛(ài)德華莫雷進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，莫雷進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)， 并且出乎意料地并且出乎意料地未能發(fā)現(xiàn)光在不同方向的傳播速度有任何的差未能發(fā)現(xiàn)光在不同方向的傳播速度有任何的差 異。異。 10 阿爾伯特阿爾伯特愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在 1905 19

7、05 年解釋了這個(gè)年解釋了這個(gè) 現(xiàn)象，他認(rèn)為不同于車的速度，光的速度現(xiàn)象，他認(rèn)為不同于車的速度，光的速度 是恒定的，不會(huì)隨觀察者的移動(dòng)而變化。是恒定的，不會(huì)隨觀察者的移動(dòng)而變化。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論 換句話說(shuō)，即使你跑換句話說(shuō)，即使你跑 得非常快，你也無(wú)法得非?？?，你也無(wú)法 追上光。追上光。 愛(ài)因斯坦決心重新審查萬(wàn)有引力愛(ài)因斯坦決心重新審查萬(wàn)有引力 理論，他在理論，他在自述自述這篇文章中，這篇文章中， 寫下了這樣一句話：寫下了這樣一句話：“牛頓啊，牛頓啊， 請(qǐng)?jiān)徫艺?qǐng)?jiān)徫摇?牛頓啊，請(qǐng)牛頓啊，請(qǐng) 原諒我原諒我 11 狹義相對(duì)論的原理：狹義相對(duì)論的原

8、理： l光速是恒定的，完全不依賴于觀測(cè)者及光源的光速是恒定的，完全不依賴于觀測(cè)者及光源的 速度。速度。 l物理學(xué)的法則并不依賴于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)，除非物理學(xué)的法則并不依賴于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)，除非 觀測(cè)者的速度有變化。觀測(cè)者的速度有變化。 設(shè)想有兩個(gè)人在觀察一束光。對(duì)于靜止站設(shè)想有兩個(gè)人在觀察一束光。對(duì)于靜止站 立的人，光速是每秒立的人，光速是每秒 3030萬(wàn)公里；對(duì)于在萬(wàn)公里；對(duì)于在 以以 18 18 萬(wàn)公里每秒時(shí)速飛行的太空船中的萬(wàn)公里每秒時(shí)速飛行的太空船中的 人來(lái)說(shuō)，光速仍將是每秒人來(lái)說(shuō)，光速仍將是每秒 30 30 萬(wàn)公里。但萬(wàn)公里。但 是這又怎么可能呢？是這又怎么可能呢？ 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)

9、言-愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論 12 按照愛(ài)因斯坦的理論，運(yùn)動(dòng)中的物體在比按照愛(ài)因斯坦的理論，運(yùn)動(dòng)中的物體在比 它靜止時(shí)來(lái)得短。類似地，運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘它靜止時(shí)來(lái)得短。類似地，運(yùn)動(dòng)中的時(shí)鐘 跳得比靜止的時(shí)鐘更慢。跳得比靜止的時(shí)鐘更慢。 愛(ài)因斯坦推斷空間和時(shí)間可以精確得描述愛(ài)因斯坦推斷空間和時(shí)間可以精確得描述 為一個(gè)整體為一個(gè)整體 - - 時(shí)空。時(shí)空。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論 13 修改引力定義修改引力定義 l在地球上自由下落的人就像太空中的宇航員一樣在地球上自由下落的人就像太空中的宇航員一樣 感覺(jué)不到地心引力的作用。感覺(jué)不到地心引力的作用。 l在恒

10、定加速上升的火箭中，人將感受到和坐在地在恒定加速上升的火箭中，人將感受到和坐在地 球上的人相同的引力作用。球上的人相同的引力作用。 l廣義相對(duì)論的基本假定是廣義相對(duì)論的基本假定是地球上的物體感受到的地球上的物體感受到的 地心引力和遠(yuǎn)離大質(zhì)量物體、恒定加速的物體所地心引力和遠(yuǎn)離大質(zhì)量物體、恒定加速的物體所 感受到的力是完全相同的感受到的力是完全相同的。 愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力并不是牛頓所想的那樣。愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力并不是牛頓所想的那樣。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論 14 他認(rèn)為物體之所以會(huì)互相吸引是因?yàn)樗J(rèn)為物體之所以會(huì)互相吸引是因?yàn)橹氐闹氐?物體扭曲了時(shí)空，其它物體

11、則選擇了扭曲物體扭曲了時(shí)空，其它物體則選擇了扭曲 時(shí)空中的最短路徑。時(shí)空中的最短路徑。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論 愛(ài)因斯坦通愛(ài)因斯坦通 過(guò)數(shù)學(xué)方法過(guò)數(shù)學(xué)方法 發(fā)現(xiàn)時(shí)空結(jié)發(fā)現(xiàn)時(shí)空結(jié) 構(gòu)是彈性的，構(gòu)是彈性的， 就像蹦床。就像蹦床。 15 想像在蹦床中心放一個(gè)保齡球。球的重量將使想像在蹦床中心放一個(gè)保齡球。球的重量將使 蹦床中部下陷。而蹦床邊緣的輕物體，比如網(wǎng)蹦床中部下陷。而蹦床邊緣的輕物體，比如網(wǎng) 球，將沿著曲面移向保齡球球，將沿著曲面移向保齡球 - - 就像行星圍繞著就像行星圍繞著 太陽(yáng)運(yùn)行。太陽(yáng)運(yùn)行。 蹦床的下陷描繪了大質(zhì)量物體如何扭曲時(shí)空。蹦床的下陷描繪

12、了大質(zhì)量物體如何扭曲時(shí)空。 網(wǎng)球的移動(dòng)路徑說(shuō)明了物體在扭曲時(shí)空沿最短網(wǎng)球的移動(dòng)路徑說(shuō)明了物體在扭曲時(shí)空沿最短 路徑移動(dòng)。路徑移動(dòng)。牛頓認(rèn)為地心引力是兩個(gè)物體間的牛頓認(rèn)為地心引力是兩個(gè)物體間的 神秘作用力，而愛(ài)因斯坦認(rèn)為它反映的是時(shí)空神秘作用力，而愛(ài)因斯坦認(rèn)為它反映的是時(shí)空 的扭曲的扭曲 。 16 廣義相對(duì)論的預(yù)言之一是廣義相對(duì)論的預(yù)言之一是光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量物體時(shí)光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量物體時(shí) 會(huì)彎曲會(huì)彎曲。大質(zhì)量物體會(huì)扭曲它們周圍的時(shí)空，以。大質(zhì)量物體會(huì)扭曲它們周圍的時(shí)空，以 至任何物質(zhì)，即便是光，在穿越時(shí)空時(shí)也將按彎至任何物質(zhì)，即便是光，在穿越時(shí)空時(shí)也將按彎 曲的路線行進(jìn)。曲的路線行進(jìn)。 1919 19

13、19 年，阿瑟年，阿瑟艾丁頓通過(guò)在日全食時(shí)測(cè)量太陽(yáng)艾丁頓通過(guò)在日全食時(shí)測(cè)量太陽(yáng) 邊緣處的星光對(duì)這個(gè)預(yù)言進(jìn)行了驗(yàn)證。他的結(jié)果邊緣處的星光對(duì)這個(gè)預(yù)言進(jìn)行了驗(yàn)證。他的結(jié)果 完美地符合了愛(ài)因斯坦的預(yù)言。這也是對(duì)愛(ài)因斯完美地符合了愛(ài)因斯坦的預(yù)言。這也是對(duì)愛(ài)因斯 坦理論的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，并使他在科學(xué)界坦理論的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，并使他在科學(xué)界 和公眾中迅速成名。和公眾中迅速成名。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論 17 引力輻射引力輻射 電荷被加速時(shí)會(huì)發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)電荷被加速時(shí)會(huì)發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì) 量的物體被加速時(shí)就會(huì)發(fā)出引力輻射，這量的物體被加速時(shí)就會(huì)發(fā)出引

14、力輻射，這 是廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要預(yù)言。是廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要預(yù)言。 廣義相對(duì)論認(rèn)為：引力是廣義相對(duì)論認(rèn)為：引力是 由空間由空間時(shí)間幾何（也時(shí)間幾何（也 就是，不僅考慮空間中的就是，不僅考慮空間中的 點(diǎn)之間，而是考慮在空間點(diǎn)之間，而是考慮在空間 和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的 幾何）的畸變引起的，因幾何）的畸變引起的，因 而引力場(chǎng)影響時(shí)間和距離而引力場(chǎng)影響時(shí)間和距離 的測(cè)量。的測(cè)量。 18 廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論 廣義相對(duì)論（廣義相對(duì)論（General RelativityGeneral Relativity ）是愛(ài)因斯坦）是愛(ài)因斯坦 于于19151915年以幾何語(yǔ)言建立而成的引力

15、理論，統(tǒng)年以幾何語(yǔ)言建立而成的引力理論，統(tǒng) 合了狹義相對(duì)論和牛頓的萬(wàn)有引力定律，將引合了狹義相對(duì)論和牛頓的萬(wàn)有引力定律，將引 力改描述成因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí)力改描述成因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí) 空，以取代傳統(tǒng)對(duì)于引力是一種力的看法?？眨匀〈鷤鹘y(tǒng)對(duì)于引力是一種力的看法。 狹義相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律，都只是廣義相對(duì)狹義相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律，都只是廣義相對(duì) 論在特殊情況之下的特例。狹義相對(duì)論是在沒(méi)論在特殊情況之下的特例。狹義相對(duì)論是在沒(méi) 有考慮重力時(shí)的情況；而萬(wàn)有引力定律則是在有考慮重力時(shí)的情況；而萬(wàn)有引力定律則是在 距離近、引力小和速度慢時(shí)的情況。距離近、引力小和速度慢時(shí)的情況。 1

16、9 應(yīng)用廣義相對(duì)論回答剛開始提出的問(wèn)題：如果太應(yīng)用廣義相對(duì)論回答剛開始提出的問(wèn)題：如果太 陽(yáng)突然消失，將會(huì)發(fā)生什么？陽(yáng)突然消失，將會(huì)發(fā)生什么？ 根據(jù)廣義相對(duì)論，行星之所以環(huán)繞太陽(yáng)是因?yàn)樗鶕?jù)廣義相對(duì)論，行星之所以環(huán)繞太陽(yáng)是因?yàn)樗?們沿彎曲時(shí)空的最短路線行走。們沿彎曲時(shí)空的最短路線行走。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論 如果太陽(yáng)突然消失，它周圍的如果太陽(yáng)突然消失，它周圍的 時(shí)空會(huì)發(fā)生改變。依據(jù)愛(ài)因斯時(shí)空會(huì)發(fā)生改變。依據(jù)愛(ài)因斯 坦的理論，在水星附近的時(shí)空坦的理論，在水星附近的時(shí)空 會(huì)比在冥王星附近的時(shí)空先發(fā)會(huì)比在冥王星附近的時(shí)空先發(fā) 生改變，所以水星會(huì)先飛出軌生改變

17、，所以水星會(huì)先飛出軌 道。道。 這些時(shí)空的改變以引力波的形這些時(shí)空的改變以引力波的形 式傳遞式傳遞 20 把引力波想象成投入池塘中的石頭引起的水把引力波想象成投入池塘中的石頭引起的水 波可能會(huì)幫助理解。當(dāng)石頭投入水面時(shí)，在波可能會(huì)幫助理解。當(dāng)石頭投入水面時(shí)，在 石頭周圍的水就立刻被擾動(dòng)，并且擾動(dòng)會(huì)從石頭周圍的水就立刻被擾動(dòng)，并且擾動(dòng)會(huì)從 那里傳播到其他地方。那里傳播到其他地方。 引力波的預(yù)言引力波的預(yù)言-愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論 相似的，大質(zhì)量物體的質(zhì)相似的，大質(zhì)量物體的質(zhì) 量或者速度的突然改變會(huì)量或者速度的突然改變會(huì) 擾動(dòng)周圍的時(shí)空，然后這擾動(dòng)周圍的時(shí)空，然后這 些擾動(dòng)會(huì)用引力波

18、的形式些擾動(dòng)會(huì)用引力波的形式 傳播出去。傳播出去。 21 引力波的提出 m 麥克斯韋麥克斯韋 電磁場(chǎng)理論電磁場(chǎng)理論 愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦 引力場(chǎng)理論引力場(chǎng)理論 電荷電荷 電磁波電磁波 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng) 光子光子 引力場(chǎng)引力場(chǎng) 引力波引力波 物質(zhì)物質(zhì) 引力子引力子 22 引力波的探測(cè) 23 引力子的探測(cè)引力子的探測(cè) 引力波人工源 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在19161916年年 提出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)棒提出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)棒 的方案：的方案：用一根二十用一根二十 米長(zhǎng)、五百噸重的鋼棒，米長(zhǎng)、五百噸重的鋼棒， 以非常快的速度繞棒的以非?？斓乃俣壤@棒的 中心旋轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生引中心旋轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生引 力子來(lái)。力子來(lái)。 不過(guò)，要使這樣的

19、龐然大物飛速旋轉(zhuǎn)，實(shí)在太困難不過(guò)，要使這樣的龐然大物飛速旋轉(zhuǎn)，實(shí)在太困難 了，即使旋轉(zhuǎn)了，從目前的技術(shù)水平來(lái)講，人們還了，即使旋轉(zhuǎn)了，從目前的技術(shù)水平來(lái)講，人們還 是找不到引力子的，因?yàn)橛眠@種方法產(chǎn)生的引力子是找不到引力子的，因?yàn)橛眠@種方法產(chǎn)生的引力子 是非常微弱的。是非常微弱的。 24 在實(shí)驗(yàn)室條件下的一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室條件下的一個(gè) 估算：估算： 目前的實(shí)驗(yàn)精度目前的實(shí)驗(yàn)精度 無(wú)法測(cè)量！無(wú)法測(cè)量！ 25 宇宙天體是巨大的引力波源宇宙天體是巨大的引力波源 一個(gè)電子作變速運(yùn)動(dòng)（或來(lái)回振動(dòng)）輻射一個(gè)電子作變速運(yùn)動(dòng)（或來(lái)回振動(dòng)）輻射 的電磁波是無(wú)法接收的，而一大群電子來(lái)的電磁波是無(wú)法接收的，而一大群電子來(lái)

20、 回振動(dòng)（振蕩）輻射的電磁波則要強(qiáng)大得回振動(dòng)（振蕩）輻射的電磁波則要強(qiáng)大得 多，完全可以被接收到；多，完全可以被接收到；同樣，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)同樣，一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 作變速運(yùn)動(dòng)（或來(lái)回振動(dòng)）輻射的引力波作變速運(yùn)動(dòng)（或來(lái)回振動(dòng)）輻射的引力波 也是難以接收的，一個(gè)含巨大質(zhì)量的物體也是難以接收的，一個(gè)含巨大質(zhì)量的物體 作變速運(yùn)動(dòng)（或來(lái)回振動(dòng)）輻射的引力波作變速運(yùn)動(dòng)（或來(lái)回振動(dòng)）輻射的引力波 就一定很強(qiáng)大，是可能被接收到的。就一定很強(qiáng)大，是可能被接收到的。 做變速運(yùn)動(dòng)的巨大物體在宇宙中比比皆是，做變速運(yùn)動(dòng)的巨大物體在宇宙中比比皆是， 那就是星系和大質(zhì)量天體。那就是星系和大質(zhì)量天體。 26 天體引力波源天體引力波源 更

21、大規(guī)模的質(zhì)量重新分布將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的更大規(guī)模的質(zhì)量重新分布將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的 引力波，例如一顆恒星坍縮成一個(gè)黑洞，引力波，例如一顆恒星坍縮成一個(gè)黑洞， 或者兩顆恒星相撞，有可能產(chǎn)生我們可以或者兩顆恒星相撞，有可能產(chǎn)生我們可以 檢測(cè)到的引力波。檢測(cè)到的引力波。 天體作為引力波天體作為引力波 的波源，大概有的波源，大概有 三類：三類： l爆發(fā)源爆發(fā)源 l周期性連續(xù)源周期性連續(xù)源 l宇宙本底輻射宇宙本底輻射 27 理論研究表明理論研究表明: : 只有由兩顆中子星組成的只有由兩顆中子星組成的 雙星體系才有可能檢驗(yàn)引力輻射阻尼。雙星體系才有可能檢驗(yàn)引力輻射阻尼。 在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大約五百顆脈沖星中在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大約

22、五百顆脈沖星中, PSR , PSR 1913+16 1913+16 是最早的一個(gè)由兩顆中子星組成是最早的一個(gè)由兩顆中子星組成 的雙星系統(tǒng)。的雙星系統(tǒng)。 l軌道周期軌道周期7.757.75小時(shí)小時(shí) l橢率橢率0.6170.617 引力子的探測(cè)引力子的探測(cè) 引力波自然源引力波自然源 28 從從19741974年以后年以后, , 泰勒和他的合作者赫爾斯泰勒和他的合作者赫爾斯 不斷地分析積累多年的觀測(cè)資料不斷地分析積累多年的觀測(cè)資料, , 發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)： l雙星相互旋轉(zhuǎn)一周每十年減少雙星相互旋轉(zhuǎn)一周每十年減少4 4秒秒 l相當(dāng)于每年相互靠近一厘米相當(dāng)于每年相互靠近一厘米 到到20042004年又發(fā)現(xiàn)了

23、由一對(duì)高速旋狀的中子年又發(fā)現(xiàn)了由一對(duì)高速旋狀的中子 星組成的雙星系統(tǒng)星組成的雙星系統(tǒng)-PSRJ0737-3039A/B-PSRJ0737-3039A/B 軌道周期更短引力輻射更強(qiáng)軌道周期更短引力輻射更強(qiáng) l周期周期2.42.4小時(shí)小時(shí) l橢率橢率0.0880.088 引力子的探測(cè)引力子的探測(cè) 引力波自然源引力波自然源 29 根據(jù)相對(duì)論計(jì)算雙星系統(tǒng)的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)因?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)論計(jì)算雙星系統(tǒng)的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)因?yàn)?輻射引力波而使周期變短，軌道變小輻射引力波而使周期變短，軌道變小 理論計(jì)算和觀測(cè)結(jié)果誤差不超過(guò)理論計(jì)算和觀測(cè)結(jié)果誤差不超過(guò)0.5%0.5% 這是引力波存在的第一個(gè)間接定量證據(jù)，這是引力波存在的第一

24、個(gè)間接定量證據(jù)， 是是 對(duì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證。對(duì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證。 引力子的探測(cè)引力子的探測(cè) 引力波自然源引力波自然源 30 引力子的探測(cè)引力子的探測(cè) 引力波自然源 19931993年年NobelNobel獎(jiǎng)?lì)C給兩位美國(guó)科學(xué)家赫爾斯獎(jiǎng)?lì)C給兩位美國(guó)科學(xué)家赫爾斯 和泰勒，就是獎(jiǎng)勵(lì)他們觀察致密雙脈沖星和泰勒，就是獎(jiǎng)勵(lì)他們觀察致密雙脈沖星 PSR1913 +16 PSR1913 +16 獲得引力輻射的間接證據(jù)。獲得引力輻射的間接證據(jù)。 目前引力波的直接檢測(cè)已成為現(xiàn)代物理學(xué)重目前引力波的直接檢測(cè)已成為現(xiàn)代物理學(xué)重 大課題中的當(dāng)務(wù)之急。大課題中的當(dāng)務(wù)之急。 天體連續(xù)引力波

25、源的特點(diǎn)：天體連續(xù)引力波源的特點(diǎn)：連續(xù)譜，頻率較連續(xù)譜，頻率較 低，源比較確定。低，源比較確定。 31 周期性連續(xù)源周期性連續(xù)源 雙星旋轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)；星體的旋轉(zhuǎn)或自雙星旋轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)；星體的旋轉(zhuǎn)或自 轉(zhuǎn)，其各部分運(yùn)動(dòng)的軌跡必定是曲線，曲轉(zhuǎn)，其各部分運(yùn)動(dòng)的軌跡必定是曲線，曲 線運(yùn)動(dòng)也是一種變速運(yùn)動(dòng)。星體旋轉(zhuǎn)或自線運(yùn)動(dòng)也是一種變速運(yùn)動(dòng)。星體旋轉(zhuǎn)或自 轉(zhuǎn)常常有自己的周期，所以它們是周期性轉(zhuǎn)常常有自己的周期，所以它們是周期性 的引力波連續(xù)輻射源。的引力波連續(xù)輻射源。 32 天體爆發(fā)引力波源：超新星爆發(fā)，天體引天體爆發(fā)引力波源：超新星爆發(fā)，天體引 力坍塌，黑洞合并等。力坍塌，黑洞合并等。 特點(diǎn)：隨機(jī)

26、性。特點(diǎn)：隨機(jī)性。 引力子的探測(cè)引力子的探測(cè) 引力波自然源 33 爆發(fā)源 超新星爆發(fā)，其上各部分必然急劇加速運(yùn)動(dòng)；超新星爆發(fā)，其上各部分必然急劇加速運(yùn)動(dòng)； 星體坍縮，或黑洞俘獲物質(zhì)，也是一種劇烈的星體坍縮，或黑洞俘獲物質(zhì)，也是一種劇烈的 變速運(yùn)動(dòng)，它們均屬于爆發(fā)性的，稱為引力波變速運(yùn)動(dòng)，它們均屬于爆發(fā)性的，稱為引力波 爆發(fā)源。爆發(fā)源。 34 黑洞（球?qū)ΨQ）本身不輻射引力波，但黑洞在產(chǎn)生或兩個(gè)黑洞（球?qū)ΨQ）本身不輻射引力波，但黑洞在產(chǎn)生或兩個(gè) 黑洞合并（碰撞）的過(guò)程中將強(qiáng)烈地輻射引力波。黑洞合并（碰撞）的過(guò)程中將強(qiáng)烈地輻射引力波。 借助美國(guó)宇航局的借助美國(guó)宇航局的“錢德拉錢德拉”X X射線望遠(yuǎn)鏡

27、，由德國(guó)、荷蘭和美國(guó)等國(guó)射線望遠(yuǎn)鏡，由德國(guó)、荷蘭和美國(guó)等國(guó) 天文學(xué)家組成的一個(gè)研究小組首次證實(shí)，兩個(gè)巨型黑洞可以同時(shí)共存于天文學(xué)家組成的一個(gè)研究小組首次證實(shí)，兩個(gè)巨型黑洞可以同時(shí)共存于 一個(gè)星系之中。這一發(fā)現(xiàn)為研究黑洞和星系的形成等提供了重要線索。一個(gè)星系之中。這一發(fā)現(xiàn)為研究黑洞和星系的形成等提供了重要線索。 天文學(xué)家們預(yù)測(cè)說(shuō)，新發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)黑洞有可能在未來(lái)幾億年中互相靠攏，天文學(xué)家們預(yù)測(cè)說(shuō)，新發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)黑洞有可能在未來(lái)幾億年中互相靠攏， 最終合并為一個(gè)更為巨大的黑洞，并釋放出極其強(qiáng)大的引力波。最終合并為一個(gè)更為巨大的黑洞，并釋放出極其強(qiáng)大的引力波。 35 宇宙本底輻射宇宙本底輻射 來(lái)自太空的引

28、力波背景輻射，它們千年不衰，來(lái)自太空的引力波背景輻射，它們千年不衰， 萬(wàn)世不竭。源頭何在？萬(wàn)世不竭。源頭何在？ 而在引力波天空中，始終響著嗡嗡的背景聲，而在引力波天空中，始終響著嗡嗡的背景聲， 那是宇宙創(chuàng)生的回音，這才算得上是大爆炸的那是宇宙創(chuàng)生的回音，這才算得上是大爆炸的 真正遺跡（與微波背景輻射相比）。真正遺跡（與微波背景輻射相比）。 理論家認(rèn)為，最早的引力波理論家認(rèn)為，最早的引力波 產(chǎn)生于創(chuàng)生后產(chǎn)生于創(chuàng)生后1010-36 -36秒，它在 秒，它在 宇宙空間傳播，既不被物質(zhì)宇宙空間傳播，既不被物質(zhì) 吸收也不被散射，故它攜帶吸收也不被散射，故它攜帶 著宇宙創(chuàng)生的真面目。著宇宙創(chuàng)生的真面目。

29、36 引力波的探測(cè)引力波的探測(cè) 科學(xué)家們?yōu)榱藢ふ乙ψ雍吞綔y(cè)科學(xué)家們?yōu)榱藢ふ乙ψ雍吞綔y(cè) 引力波，兵分兩路：引力波，兵分兩路： l一路人馬抓緊研究新的探測(cè)方法和一路人馬抓緊研究新的探測(cè)方法和 提高探測(cè)儀器的靈敏度提高探測(cè)儀器的靈敏度 l另一路人馬開始尋找能產(chǎn)生引力子另一路人馬開始尋找能產(chǎn)生引力子 的大源泉。的大源泉。 37 引力波的探測(cè) 引力波探測(cè)的原理很簡(jiǎn)單，無(wú)外乎時(shí)空波引力波探測(cè)的原理很簡(jiǎn)單，無(wú)外乎時(shí)空波 動(dòng)讓物體位形發(fā)生改變。動(dòng)讓物體位形發(fā)生改變。 困難：引力輻射的微弱困難：引力輻射的微弱 對(duì)于最激烈的天體活動(dòng)，引力波對(duì)探測(cè)器對(duì)于最激烈的天體活動(dòng)，引力波對(duì)探測(cè)器 的影響也很難超過(guò)背景噪聲

30、。的影響也很難超過(guò)背景噪聲。 引力波的兩種偏振分量（引力波的兩種偏振分量（+ +與與）對(duì)環(huán)形）對(duì)環(huán)形 質(zhì)量分布的影響。質(zhì)量分布的影響。 38 引力波的探測(cè)引力波的探測(cè)韋伯的嘗試韋伯的嘗試 19581958年，馬里蘭大年，馬里蘭大 學(xué)的美國(guó)人韋伯第學(xué)的美國(guó)人韋伯第 一次開始探測(cè)引力一次開始探測(cè)引力 波，他用巨大的鋁波，他用巨大的鋁 筒和棒形天線進(jìn)行筒和棒形天線進(jìn)行 探測(cè)。探測(cè)。 39 引力波的探測(cè)引力波的探測(cè)韋伯的嘗試韋伯的嘗試 韋伯探測(cè)裝置韋伯探測(cè)裝置共振質(zhì)量探測(cè)器共振質(zhì)量探測(cè)器 l原理：原理：類似于電磁波引起接收天線的共振一樣，引類似于電磁波引起接收天線的共振一樣，引 力波也使與其相遇的物體

31、以一定的方式發(fā)生震蕩。力波也使與其相遇的物體以一定的方式發(fā)生震蕩。 l足夠強(qiáng)的引力波作用在一個(gè)物體的圓形截面上，我足夠強(qiáng)的引力波作用在一個(gè)物體的圓形截面上，我 們將看到截面的上下左右不斷拉長(zhǎng)或壓縮，從而使們將看到截面的上下左右不斷拉長(zhǎng)或壓縮，從而使 物體的截面在圓形和橢圓形之間來(lái)回變化。物體的截面在圓形和橢圓形之間來(lái)回變化。 l探測(cè)設(shè)備是數(shù)個(gè)長(zhǎng)探測(cè)設(shè)備是數(shù)個(gè)長(zhǎng)2 2米、直徑米、直徑1 1米的實(shí)心鋁棒，共振米的實(shí)心鋁棒，共振 頻率頻率1660 Hz1660 Hz（與坍縮星的引力輻射峰頻吻合），（與坍縮星的引力輻射峰頻吻合）， 用細(xì)索懸在真空室中。用細(xì)索懸在真空室中。 40 引力波的探測(cè)引力波的探

32、測(cè)韋伯的嘗試韋伯的嘗試 l如果入射波滿足共振條件，形變可以被大大加如果入射波滿足共振條件，形變可以被大大加 強(qiáng)并超過(guò)背景噪聲，棒上附屬的壓電晶體就會(huì)強(qiáng)并超過(guò)背景噪聲，棒上附屬的壓電晶體就會(huì) 探測(cè)到位移，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳達(dá)給外探測(cè)到位移，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳達(dá)給外 電路。為了保證足夠的共振時(shí)間，同時(shí)也為了電路。為了保證足夠的共振時(shí)間，同時(shí)也為了 降低系統(tǒng)噪聲，棒的阻尼要比較小。降低系統(tǒng)噪聲，棒的阻尼要比較小。 l為了盡量排除干擾，韋伯的策略是，只有兩個(gè)為了盡量排除干擾，韋伯的策略是，只有兩個(gè) 以上的金屬棒同時(shí)收到超過(guò)背景噪聲的信號(hào)時(shí)，以上的金屬棒同時(shí)收到超過(guò)背景噪聲的信號(hào)時(shí)， 才將其作為

33、確切結(jié)果記下。他在距離馬里蘭上才將其作為確切結(jié)果記下。他在距離馬里蘭上 千公里的芝加哥設(shè)置了一個(gè)共振棒。千公里的芝加哥設(shè)置了一個(gè)共振棒。 41 引力波的探測(cè)引力波的探測(cè)韋伯的嘗試韋伯的嘗試 19691969年韋伯在年韋伯在Physical Review Letters雜志雜志 上發(fā)表了他的結(jié)果，宣稱在上發(fā)表了他的結(jié)果，宣稱在8181天內(nèi)探測(cè)天內(nèi)探測(cè) 到了到了2424例幾乎同時(shí)穿過(guò)了馬里蘭州和芝例幾乎同時(shí)穿過(guò)了馬里蘭州和芝 加哥的探測(cè)器的事件。加哥的探測(cè)器的事件。 這樣的事件，并說(shuō)通過(guò)計(jì)算，最合理的這樣的事件，并說(shuō)通過(guò)計(jì)算，最合理的 解釋是引力波。次年解釋是引力波。次年WeberWeber又公布

34、了數(shù)又公布了數(shù) 百個(gè)事件，并認(rèn)為它們是來(lái)自銀心的。百個(gè)事件，并認(rèn)為它們是來(lái)自銀心的。 震驚了物理學(xué)界。震驚了物理學(xué)界。 42 引力波的探測(cè)引力波的探測(cè)韋伯實(shí)驗(yàn)結(jié)果的困惑韋伯實(shí)驗(yàn)結(jié)果的困惑 沒(méi)有其它任何一個(gè)小組能重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)沒(méi)有其它任何一個(gè)小組能重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果，其它類似的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有得到韋伯宣布的果，其它類似的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有得到韋伯宣布的 信號(hào)信號(hào) 韋伯宣稱接收到的是來(lái)自銀河系中心的引韋伯宣稱接收到的是來(lái)自銀河系中心的引 力波，也就是說(shuō)當(dāng)時(shí)銀河系中心應(yīng)該發(fā)生力波，也就是說(shuō)當(dāng)時(shí)銀河系中心應(yīng)該發(fā)生 十分激烈的天文事件，當(dāng)時(shí)的天文觀測(cè)資十分激烈的天文事件，當(dāng)時(shí)的天文觀測(cè)資 料未見(jiàn)任何異常料未見(jiàn)任何異常 韋

35、伯探測(cè)到的韋伯探測(cè)到的“引力波引力波”的能量太大，令的能量太大，令 人難以置信。人難以置信。 43 韋伯的實(shí)驗(yàn)至今已經(jīng)被否定了，但他韋伯的實(shí)驗(yàn)至今已經(jīng)被否定了，但他 提出的探測(cè)方法和原理卻是正確的。提出的探測(cè)方法和原理卻是正確的。 因?yàn)樵撎綔y(cè)器只對(duì)特定的，有大量背因?yàn)樵撎綔y(cè)器只對(duì)特定的，有大量背 景噪音的引力波源敏感，其探測(cè)頻帶景噪音的引力波源敏感，其探測(cè)頻帶 太窄。故而目前應(yīng)用的不多。太窄。故而目前應(yīng)用的不多。 44 引力波探測(cè)邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 1956-19721956-1972年，年，Pirani, WeberPirani, Weber和和Weiss Weiss 等先后提等先

36、后提 出了用激光干涉儀探測(cè)引力波的設(shè)想。出了用激光干涉儀探測(cè)引力波的設(shè)想。 激光干涉引力波探測(cè)儀的主體是一臺(tái)激光邁克激光干涉引力波探測(cè)儀的主體是一臺(tái)激光邁克 爾遜干涉儀。爾遜干涉儀。 l在無(wú)引力波存在時(shí)，調(diào)整臂長(zhǎng)使從互相垂直的兩臂在無(wú)引力波存在時(shí)，調(diào)整臂長(zhǎng)使從互相垂直的兩臂 返回的兩束相干光在分光鏡處相干減弱，輸出端的返回的兩束相干光在分光鏡處相干減弱，輸出端的 光電二極管接收的是暗紋，無(wú)輸出信號(hào)。光電二極管接收的是暗紋，無(wú)輸出信號(hào)。 l引力波的到來(lái)會(huì)使一個(gè)臂伸長(zhǎng)另一臂縮短，使兩束引力波的到來(lái)會(huì)使一個(gè)臂伸長(zhǎng)另一臂縮短，使兩束 相干光有了光程差，破壞了相干減弱的初始條件，相干光有了光程差，破壞了

37、相干減弱的初始條件， 光電二極管有信號(hào)輸出，該信號(hào)的大小與引力波的光電二極管有信號(hào)輸出，該信號(hào)的大小與引力波的 強(qiáng)度成正比。強(qiáng)度成正比。 45 激光在兩臂交點(diǎn)經(jīng)過(guò)分束后分別進(jìn)入兩臂。通過(guò)在光路激光在兩臂交點(diǎn)經(jīng)過(guò)分束后分別進(jìn)入兩臂。通過(guò)在光路 中設(shè)置延遲線路或共振腔，光子可以在臂兩端懸掛的高中設(shè)置延遲線路或共振腔，光子可以在臂兩端懸掛的高 反射率反射鏡之間往返多次，最后再回到交點(diǎn)，形成干反射率反射鏡之間往返多次，最后再回到交點(diǎn)，形成干 涉圖樣并為光子探測(cè)器接收。涉圖樣并為光子探測(cè)器接收。 46 原理不很復(fù)雜，而且初步探討也始于原理不很復(fù)雜，而且初步探討也始于19601960年代。年代。 早期的干

38、涉儀式探測(cè)器臂長(zhǎng)相對(duì)很短，如早期的干涉儀式探測(cè)器臂長(zhǎng)相對(duì)很短，如19701970年代麻年代麻 省理工學(xué)院建造的省理工學(xué)院建造的5 5米干涉儀、米干涉儀、19801980年格拉斯哥大學(xué)建年格拉斯哥大學(xué)建 造的造的1010米干涉儀、米干涉儀、19831983年馬克斯年馬克斯普朗克研究所建造普朗克研究所建造 的的3030米干涉儀等，中國(guó)也于米干涉儀等，中國(guó)也于19801980年代末在廣州和北京年代末在廣州和北京 分別建造了分別建造了3 3米和米和0.50.5米干涉儀。米干涉儀。 格拉斯哥大學(xué)的格拉斯哥大學(xué)的 1010米干涉儀米干涉儀 47 引力波的探測(cè) 1970-19801970-1980年代，美國(guó)

39、加州理工學(xué)院和麻省理年代，美國(guó)加州理工學(xué)院和麻省理 工學(xué)院開始研制激光干涉儀；工學(xué)院開始研制激光干涉儀；19901990年代中期，年代中期， 分別在華盛頓州的分別在華盛頓州的HanfordHanford和路易斯安娜州的和路易斯安娜州的 LivingstonLivingston開始建造引力波探測(cè)站，并于開始建造引力波探測(cè)站，并于20032003 年以來(lái)，相繼建成臂長(zhǎng)年以來(lái)，相繼建成臂長(zhǎng)4km4km、2km2km的激光干涉的激光干涉 儀引力波探測(cè)儀共兩套。儀引力波探測(cè)儀共兩套。 48 期間，意大利與法國(guó)合作建造臂長(zhǎng)期間，意大利與法國(guó)合作建造臂長(zhǎng)30003000米米 的激光干涉引力波探測(cè)站的激光干涉

40、引力波探測(cè)站Virgo, Virgo, 德國(guó)與英德國(guó)與英 國(guó)合作建造臂長(zhǎng)國(guó)合作建造臂長(zhǎng)600600米的激光干涉引力波米的激光干涉引力波 探測(cè)站探測(cè)站GEO, GEO, 日本建造臂長(zhǎng)日本建造臂長(zhǎng)300300米的激光米的激光 干涉儀引力波探測(cè)站干涉儀引力波探測(cè)站TAMATAMA。 激光干涉引力波探測(cè)儀的靈敏度比共振棒激光干涉引力波探測(cè)儀的靈敏度比共振棒 高出高出3-43-4個(gè)量級(jí)，可探測(cè)的引力波源是共個(gè)量級(jí)，可探測(cè)的引力波源是共 振棒的振棒的10109 9-10-1012 12倍！ 倍！ 49 美國(guó)的引力波激光干涉觀察臺(tái)美國(guó)的引力波激光干涉觀察臺(tái)-LIGO 項(xiàng)目開始于：項(xiàng)目開始于：19911991年秋，共投資：年秋，共投資：3.63.6億美元億美元 兩套干涉儀：兩套干涉儀：hanfordwashingtonhanfordwashington livingtonlouisiana livingtonlouisiana 目的：目的： l同時(shí)工作：消除噪音；同時(shí)