引力波,引力波源及引力波探测_引力波及其探测

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引力波,引力波源及引力波探测

摘要： 目的 通过讨论初步了解引力波及其检测方法 方法 采用查阅文献，小组汇报，互相交流的方式。结果 初步了解引力波，同学们积极发言，小组讨论效果明显。结论 通过独自查阅文献，互相讨论交流，我们对引力波有了更深刻的认识，也获得了许多有用的知识。这是一种增长知识，开阔视野的有效的学习方式。

关键字：引力波；检测；原理；意义 1.引言

广义相对论的几个经典检验和预言 1．光谱线在引力场中的红移；距引力场源较远处接收到光的频率较低，原因：光“逃离”引力场源需要做功。

2．光线在引力场中的偏折；牛顿理论加上光子概念可以定性解释，但定量结果却总只有观测值的一半。3.水星进日点的进动；多出来的43秒／百年，牛顿理论加上摄动修正无法解释。以上三点均是广义相对论的直接推论－－史瓦西解（Schwarzschild1916）的直接结果。传感器一般由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件是指传感器中敏感元件感受（或响应）的被测量，转换成适于传感和测量的电线号的部分。

4．雷达回波延迟；1964年Shapiro首次提出。地球发出的雷达信号经太阳附近到达另一行星（或飞船），然后返回，测量信号发出与接收的时间。与广义相对论的吻合程度非常高。

5．引力波；下面专门谈。6．黑洞；等。

引力波：指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，以引力辐射的形式传输能量的波。

2.实验

2.1 共振型棒式天线： 代表：Weber棒(美国)实验装置：悬挂的铝棒（重1.4吨）＋压电陶瓷传感器。灵敏度为h~2X10-15。

Weber的检测器工作在室温下，来自热运动的噪声会干扰实验结果。目前采用高Q值低内耗铝合金在超低温(10-2K)下工作，工作的引力波频段为~1000Hz段，灵敏度为h~2X10-21。缺点：非共振频段的引力波反应弱；守株待兔式探测需

要昂贵的实验维持费用。部分实验结果：

1969年，韦伯(J.Weber)宣称探测到了来自银河系

中心的引力波，实验结果发表于美国物理评论快报

(Physics Review Letter)，但后来相继建成的更高灵敏度的引力波检测器没能重复其结果，因此其结论目前

仍然未能被科学界接受，认为是噪声而非引力波！

1987年有个小组声称接收到了来自大麦哲伦星云

(属于银河系的近邻星系)中的超新星1987A 爆发时的引力辐射。这两个结果都因为没有旁证而无法得到公认.2i.2 激光干涉仪探测器： 代表：LIGO（美国）

其原理与传统的迈克尔逊干涉仪完全相同,引力波作用将引起两垂直光臂(检验质量)产生不同的距离变化，从而改变两束干涉光的光程差，通过干涉条纹移动反映出来！其工作频率下限为10Hz。欧洲宇航局拟建的LISA工作频率下限为10-2Hz。部分实验结果：

2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年

12月26日（UTC），位于美国利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号。

3.研讨内容：

1.引力波－Einstein广义相对论的预言

 引力波是横波。

原因是假定取谐和坐标，并假定引力波沿某一方向（比如X方向）传播，则它只对Y方向和Z方向的度规造成扰动。

 不存在单极和偶极引力辐射。

引力波带有能量，可以被探测，但引力辐射的最低极矩是四极矩，这就是为什么引力波非常弱而难以探测的原因。

2.引力波的检测原理及引力波检测

 弯曲时空中自由粒子的短程线方程

d2xdt2dxdxdtdt0

 两个处于不同短程线上的粒子就构成了一个最简单的引力波检测器。

 实验原理：正如电磁场驱动带电粒子一样，处于引力场中的物体也将受到引力的驱动。可以证明：粒子所组成的环平面与平面引力波的传播方向垂直时，在一个同期内，它将被引力扭曲为下面之图

 引力波探测的主要困难：

1．天然引力波信号极弱。平直时空度规取

（1，-1,-1,-1），理论推算认为天然的引力波的对度规的扰动仅为~10-30的量级。目前无法人工产生高强度引力波用于实验。

2．自然条件与技术水平的局限。太空噪声，检测设备及检验质量的热运动噪声，信号转换损失，地面振动，目前的测量技术水平等。3．强引力波源的时间随机性。

4．理论上的原因。引力波与检测质量的作用截面极小；宇宙深处的引力波按与距离平方衰减的规律传到地球，衰减多；Einstein预言引力波时使用的弱引力场线性近似等。3.引力波源 3.1 自然源

天体连续引力波源：特点：连续谱，频率较低，源比较确定。

双星系统（最理想的是中子双星或黑洞双星）1993年Nobel奖颁给两位美国科学家赫尔斯和泰勒，就是奖励他们观察致密双脉冲星PSR1913+16获得引力辐射的间接证据。PSR1913+16双星的观测已经给出了引力波存在的间接定量证据，目前引力波的直接检测已成为现代物理学重大课题中的当务之急。

理论研究表明: 只有由两颗中子星组成的双星体系才有可能检验引力辐射阻尼.而赫尔斯和泰勒在1974年底发现的脉冲星 PSR 1913+16 是目前已知的双星中唯一一个宜于进行引力理论检验的良好体系.3.2 人工源

根据引力场方程可以引力场人工造源,但目前都还仅限于理论方面，不足以引起可观察的效应。

电磁场张量EMT(Energy Momentum Tensor)变化可以引起引力辐射－G-S(Grishchuk-Sazhin)方案（电磁谐振腔）, P-R(Pinto-Lotoli)方案（高频脉冲源模型）, T-L-L(唐孟希，李芳昱，罗俊)的改进方案（电介质电磁谐振腔）。但距现实仍然有较大的距离—主要是尺寸太大~108-1010cm3！

质量四极矩的三阶导数不为零会有引力辐射。3.引力波探测的意义和展望 意义：

引力波探测的结果将有助于证明各种引力理论的正确与否。

推动引力场量子化的理论研究，从而为完善物理学“大统一”理论做出贡献。展望： 棒式天线：

大质量(>5t)、超低温(

长基线(1~4Km)、多次反射(n>100)、高能高稳定性高单色性激光。从地球转移到太空：

避免地球引力和地球表面干扰，LISA、ASTROD等。值得思考的问题：探测器的设计思想是否应该考虑更新！目前的探测器都源于韦伯的思路。4.问题探索

①引力波的应用：

1.能源，如果是两个黑洞结合，损失掉的质量能量以

引力波的形式发出，则理论上就有收集引力波并还原为能量的方法。参考，太阳能电池，太阳帆

2.可以作为曲率和跃迁引擎的探索方向之一

跃迁引擎的原理是压缩路径的空间，而曲率则是改变自身周围的空间，引力波的证实则为这两种驱动实现提供了新的可能。参考，肥皂船 3..高维探索

弦论中，我们所接触到的力中，只有引力是跨维度的，如果说高维世界对低维世界有线索的话，那么引力波很有可能是四维空间对我们三维空间的线索之一。

参考，水面波纹使得平静的二维水面扭曲到三维，扭曲的白纸

4..时间机器

现在理论上都是时间能被伸缩，但不能往回倒。我们不妨将引力波对三维空间的影响扩大到对四维时空的影响，也就是说，说不定引力波可以影响时间哦。

这个想不到参考，是纯脑洞，可以参考电影星际穿越 5.信息传递

既然和那么远的距离，用大型仪器可以探测到引力波。

而光的衰减效应，或者更大范围说电磁波的衰减效应，导致未来星球间传输效率太低。

如果我们成为多星文明甚至多星系文明后，引力波会成为最好的星系间通讯介质，将引力波编码和加密，然后定向发射，效果会比现在用的电磁波好很多。参考，各频率广播，三体中的引力广播 6.武器

次声波或者激光干掉个把导弹卫星已经不成问题了。

如果直接发射引力波，密度足够，摧毁些城市不成问题。

如果按照第一个脑洞里说的那样做成能源储存，那么这个能源容器同时也可以成为一个炸弹，毁掉个把星球该不成问题。参考，激光武器，核弹

7.医疗

既然能当武器用了，自然也能救人用，因为救人的本质就是杀掉细菌病毒肿瘤嘛。

通过编码和调频发送定向摧毁目标的引力波。

参考，电磁波治疗，激光治疗。8.生物科学

既然能杀毒了，根据对象的频率特点，定向轰掉dna某个链应该不成问题吧，这样干掉不合格的精子，筛选出想要的精子，就可以实现基因改造了。既然核泄漏能让老鼠变大，那么弄出一些奇葩生物应该也不成问题吧。

反正都跟我们没关系了，前人种树后人乘凉，现世来说，主要还是理论上的，后面要成功收集和驾驭估计还是很遥远的事情。

9.行星改造，前面都提到毁掉个把行星不成问题了，我们还是不要太暴力，换个方向，我们让行星变轨吧。

比如把火星拉进一点，这样什么乱七八糟的水啊氧气啊都出来了。

不过毕竟蝴蝶效应，万一火星的位置改变扰乱了整

个太阳系的秩序，让地球环境发生1%的变化都有可能导致人类灭绝。到时可不要怪我啊。10.另一种引擎

由于牛顿第三定律，现行的火箭和飞船都只能燃料驱动，而不能电驱动，但如果驾驭了引力波，可就不一样了。

而在真空中，燃料引擎的局限就出现了。我现在提出一个假设(不知道有没有人比我早),以引力波容器作为能量来源，吸收宇宙中的暗物质，对其赋予动能并射出，实现驱动。原理有点类似涡喷，不过涡喷是空气加热，而这个引擎是暗物质加“热”。

这种引擎，可以作为现有引擎跨到空间引擎的跳板。11.宇宙监听

这个其实很现实的，已经在做了，通过监听异常空间扰动判断宇宙哪里出了什么事故。

比如现在这个是俩黑洞，那说不定那天能监听到两个高级文明间的战争呢。12.魔法，力场

貌似如果引力波发射装置可携带化，一个人就可以隔空推动物体了，三个人就可以将中心的物体悬空了，娱乐倒是可以。

如果我们用阵列搭建一个立体引力场，实现空间内的引力自由改变和编程，那么安德的游戏里面那种训练场在地面就可以进行了，不仅如此，还能实现创战纪里面的竞技场，各种道具漂移，各种引力变化。

同样，平面引力阵列可以实现立场护盾，比如at field，独立日里面外星人的飞船护盾以及eve里面的第一层护盾，都可以实现。参考，磁场 13.引力悬浮

可以根据12推导，不同于磁悬浮的是，引力波轨道

上的所有东西可能都会反重力，作为运输作用太浪费，估计就用作娱乐和实验用

反之，在交通工具上安装引力波发射阵列，则可以实现单体悬浮，星球大战里的悬浮摩托就离我们不远了哦

参考，磁悬浮，气垫船

②空间结构几何化【广义相对论】

广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过，仍然有一些问题至今未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。爱因斯坦的科学定律，对所有的观察者，不管他们如何运动，都必须是相同的（广义相对性原理）。它将引力解释成四维空间的曲率。

参考文献

Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger

B.P.Abbott et al.(LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

Phys.Rev.Lett.116, 061102 – Published 11 February 2016

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