引力波_引力波源和引力波探测实验.doc

云 南 天 文 台 台 刊 Publications of Yunnan Observatory 2002 年 第 3 期 2002 No13 Ξ 引力波 、引力波源和引力波探测实验 唐孟希1 , 李芳昱2 , 赵鹏飞3 , 唐敏然4 (1 . 中山大学物理系 , 广州 510275 ; 2 . 重庆大学应用物理系 , 重庆 400044 ; 3 . 湛江师范学院物理系 , 湛江 510089 ; 4 . 中山大学中山医学院基础部 , 广州 524048) 摘要 : 引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预 言之一 。除了 PSR1913 + 16 引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据 外 , 科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在 。由于人类目前的技术水 平还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波 , 而宇宙中存在大量大质量 、 高速运动的天体 , 有可能产生较强的引力波 , 天体引力波源自然成为现阶段科 学家研究引力波的首选 。本文介绍广义相对论框架下预言的引力波性质 , 引力 波探测的理论依据 , 共振型棒式天线和激光干涉仪两大类探测器的基 本 原 理 , 引力波探测实验的现状和面临的困难 , 科学家采取的对策 , 以及爆发型和连续 型两类天体引力波源 。最后介绍了正在计划中的几个引力波探测空间实验 。 关键词 : 广义相对论 ; 引力波 ; 引力波源 ; 空间实验 中图分类号 : O 412 , P 142 . 84 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 7526 (2002) 03 - 0071 - 17 1 广义相对论和引力波 牛顿的引力理论统治了物理学界 200 多年 。根据牛顿的引力理论 , 由两个质点组 成 , 作周期运动的动力学系统 , 运动轨迹是一个封闭的椭圆 , 太阳系的行星轨道就属于 这种情况 。当考虑到太阳的质量四极矩和受到其他天体的摄动时 , 行星绕太阳运动的轨 道不再封闭 , 椭圆轨道的近日点会以一定的角速度进动 。离太阳越近的行星轨道 , 进动 角速度越大 。1859 年 Leverrier 首先发现 , 水星轨道近日点的进动 , 在扣除以上因素外 , 还有每百年 38s 的剩余进动无法在牛顿力学的框架内给出解释 。Newcomb 进行了精度较 高的观测后得出 , 这个剩余的进动为每百年 43s 。1916 年爱因斯坦在他早期发表的广义 相对论的论文中就给出了行星近日点进动的广义相对论的计算值1 , 这个值与 Leverrier 和 Newcomb 的观测值相符合 。这是广义相对论第一个成功的例证 。根据广义相对论 , 爱 因斯坦和其他的物理学家先后提出了 4 个预言 , 即光线在引力场中的偏折 , 光谱线在引 力场中的红移 , 引力辐射存在和黑洞存在 。这 4 个预言中的前 2 个在随后不久便得到了 Ξ基金项目 : 国家自然科学基金 资助项目. 收稿日期 : 2001 - 12 - 27 作者简介 : 唐孟希 , 男 , 教授 , 研究方向 : 引力理论和引力实验. 验证 , 而后 2 个预言的验证工作在很长时间得不到进展 。 由于引力相互作用的微弱性和不可屏蔽性 , 给引力实验带来了巨大的技术困难 。直 到 60 年代初期 , 对广义相对论的实验检验仍然停留在以上的三大检验上 。而科学上有 这种情况 , 实验科学家能提供的实验和观测数据越少 , 进度越低 , 理论科学家能创造的 理论也就越多 。尽管 60 年代以后 , 实验和观测精度有了很大的提高 , 有一些理论被淘 汰 , 但还有不 少 与 爱 因 斯 坦 广 义 相 对 论 平 行 的 理 论 通 过 了 现 有 的 所 有 实 验 检 验 , 如 Brans - Dicke 的标量 —张量理论2 , Will - Nordtvedt 的矢量 —张量理论3 , Lightman - Lee 的双度规理论4 等 。 要进一步认识引力相互作用的规律 , 区别这些名目繁多的引力理论的真伪 , 可以有 以下两种途径 。一是把这些理论中的度规在 Minkowski 度规的邻域中按物质变量展开成 幂级数 , 构成所谓参量化的后牛顿体系 ( Parametrized Post - Newtonian Formalism) , 即 PPN 形式体系5 。不同的引力理论对应不同的展开系数 , 再把这些系数和观测实验结果比 较 , 这种方法就称为后牛顿检验