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引力波
英文：(gravitational wave)，臺灣學界稱為重力波，英文中有時也寫作 gravity wave；但更多場合中，gravity wave是留給地球科學與流體力學中另一種性質迥異的波動。關於萬有引力的本質是什麽，牛頓認為是一種即時超距作用，不需要傳遞的“信使”。愛因斯坦則認為是一種跟電磁波一樣的波動，稱為引力波。引力波是時空麯率的擾動以行進波的形式嚮外傳遞。引力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星係中輻射出來的現象。電荷被加速時會發出電磁輻射，同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。
引力波的存在而且也真的無所不在，是廣義相對論中一項毫不模糊的預言。所有目前相互競爭而且被“認可”的重力理論（認可：與現前可得一切證據能達到相當準確度的相符）所預言的引力輻射特質即各有千秋；而原則上，這些預言有時候和廣義相對論所預言的相差甚遠。但很不幸地，現在要確認引力輻射的存在性就已相當具有挑戰性，更不用說要研究它的細節。
引力波的性質引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運動的質量會産生引力波。引力波的主要性質是：它是橫波，在遠源處為平面波；有兩個獨立的偏振態；攜帶能量；在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量，應可被探測到 。但引力波的強度很弱，而且，物質對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為睏難。曾有人宣稱在實驗室裏探測到了引力波，但未得到公認。天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在 。例如，雙星體係公轉、中子星自轉、超新星爆發，及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程，都能輻射較強的引力波。我們所預期在地球上可觀測到的最強引力波會來自很遠且古老的事件，在這事件中大量的能量發生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數量級應該頂多衹有10^-21。以ligo引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。這樣的案例應該可以指引出為什麽偵測引力波是十分睏難的。
引力波的偵測雖然引力輻射並未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著的“間接”證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星（或稱波霎）雙星係統psr1913+16的觀測。這係統被認為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預期的值。對於這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種係統的重力輻射給出了準確的說明纔得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學奬。
1959年，美國馬裏蘭大學教授韋伯發表了證實引力波存在的消息，這引起了世界物理學界一陣狂熱的激動。事情是這樣的，韋伯等人製造了6臺引力波檢驗器，分別放在不同地點進行長期的檢波記載。結果發現在各臺檢波器上都記錄到一種相同的、不規則的“擾動”，並證明它並不是由聲學振動、地震、電磁幹擾或宇宙綫幹擾等引起的，因此，他們認為“不能排除這就是引力波”。之後，許多國傢的科學家采用各種方法企圖證實宇宙深處的同樣“來客”，但終未得到肯定的結果，於是激動之餘，人們便衹能嘆息罷了。
射電天文學的蓬勃發展為物理學家們新的探測途徑。射電望遠鏡的探測本領比光學望遠鏡強得多，美國天文物理學家泰勒等人在1974年，靠着射電望遠鏡發現了一個雙星體係——脈衝射電源（psr1913+16）。按照廣義相對論計算，雙星互相繞轉發出引力輻射，們的軌道周期就會因此而變短，（psr1913+16）的變化率為-2.6*10^ -12。而在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實驗行到觀察值為-（3.2±0.01×10 ^-12,與理論計算值在誤差範圍內正好符合。這可以說是引力波的第一個定量證據。上述消息傳開，引起物理學界的極大震動。科學家們信心倍增，為歡迎引力輻射這位宇宙“嬌客”將開展更為廣泛的探索研究。因為對引力波的探測不僅可以進一步驗證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景，茫茫宇宙，衹要有物質，到處有引力輻射。
［引力波激光干涉儀］
ligo 和 geo 600是用來測量引力波即時空結構中的波動的工具。引力波非常難以測量，因為當他們到達地球的時候已經變得非常弱了。
ligo 和 geo 600通過測量兩條激光束相遇的時候所形成的干涉圖樣的變化來探測引力波。這些圖樣依賴於激光束的傳播距離，當引力波穿過時激光束的傳播距離會相應變化。
這種稱之為激光干涉計的探測器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。因為探測器需要尋找的是很微弱的信號，所以需要 ligo 和 geo 的尺寸相當大。
引力波觀測激光干涉儀 (ligo)
位於美國的 ligo 觀測所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對封閉在 1.2 米直徑的真空管中的 4 公裏長的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，衹有一對 2 公裏長的臂。
這二套 ligo 干涉儀在一起工作構成一個觀測所。這是因為激光強度的微小變化、微弱地震和其它幹擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類幹擾信號，其記錄將衹出現在一臺干涉儀中，而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時記錄。所以，科學家可以對二個地點所記錄的數據進行比較得知哪個信號是噪聲。
ligo 從 2003 年開始收集數據。它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。一係列的升級計劃將更進一步提高其靈敏度。 (來源激光之傢 http://www.laserhome.cn) |
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英文：(gravitational wave)，臺灣學界稱為重力波，英文中有時也寫作 gravity wave；但更多場合中，gravity wave是留給地球科學與流體力學中另一種性質迥異的波動。關於萬有引力的本質是什麽，牛頓認為是一種即時超距作用，不需要傳遞的“信使”。愛因斯坦則認為是一種跟電磁波一樣的波動，稱為引力波。引力波是時空麯率的擾動以行進波的形式嚮外傳遞。引力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星係中輻射出來的現象。電荷被加速時會發出電磁輻射，同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。
引力波的存在而且也真的無所不在，是廣義相對論中一項毫不模糊的預言。所有目前相互競爭而且被“認可”的重力理論（認可：與現前可得一切證據能達到相當準確度的相符）所預言的引力輻射特質即各有千秋；而原則上，這些預言有時候和廣義相對論所預言的相差甚遠。但很不幸地，現在要確認引力輻射的存在性就已相當具有挑戰性，更不用說要研究它的細節。 |
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| 引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運動的質量會産生引力波。引力波的主要性質是：它是橫波，在遠源處為平面波；有兩個獨立的偏振態；攜帶能量；在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量，應可被探測到 。但引力波的強度很弱，而且，物質對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為睏難。曾有人宣稱在實驗室裏探測到了引力波，但未得到公認。天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在 。例如，雙星體係公轉、中子星自轉、超新星爆發，及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程，都能輻射較強的引力波。我們所預期在地球上可觀測到的最強引力波會來自很遠且古老的事件，在這事件中大量的能量發生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數量級應該頂多衹有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小於一顆質子直徑的千分之一。這樣的案例應該可以指引出為什麽偵測引力波是十分睏難的。 |
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雖然引力輻射並未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著的“間接”證據支持它的存在。最著名的是對於脈衝星（或稱波霎）雙星係統PSR1913+16的觀測。這係統被認為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環繞對方。其並且呈現了漸進式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預期的值。對於這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種係統的重力輻射給出了準確的說明纔得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學奬。
1959年，美國馬裏蘭大學教授韋伯發表了證實引力波存在的消息，這引起了世界物理學界一陣狂熱的激動。事情是這樣的，韋伯等人製造了6臺引力波檢驗器，分別放在不同地點進行長期的檢波記載。結果發現在各臺檢波器上都記錄到一種相同的、不規則的“擾動”，並證明它並不是由聲學振動、地震、電磁幹擾或宇宙綫幹擾等引起的，因此，他們認為“不能排除這就是引力波”。之後，許多國傢的科學家采用各種方法企圖證實宇宙深處的同樣“來客”，但終未得到肯定的結果，於是激動之餘，人們便衹能嘆息罷了。
射電天文學的蓬勃發展為物理學家們新的探測途徑。射電望遠鏡的探測本領比光學望遠鏡強得多，美國天文物理學家泰勒等人在1974年，靠着射電望遠鏡發現了一個雙星體係——脈衝射電源（PSR1913+16）。按照廣義相對論計算，雙星互相繞轉發出引力輻射，們的軌道周期就會因此而變短，（PSR1913+16）的變化率為-2.6*10^ -12。而在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實驗行到觀察值為-（3.2±0.01×10 ^-12,與理論計算值在誤差範圍內正好符合。這可以說是引力波的第一個定量證據。上述消息傳開，引起物理學界的極大震動。科學家們信心倍增，為歡迎引力輻射這位宇宙“嬌客”將開展更為廣泛的探索研究。因為對引力波的探測不僅可以進一步驗證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景，茫茫宇宙，衹要有物質，到處有引力輻射。
［引力波激光干涉儀］
LIGO 和 GEO 600是用來測量引力波即時空結構中的波動的工具。引力波非常難以測量，因為當他們到達地球的時候已經變得非常弱了。
LIGO 和 GEO 600通過測量兩條激光束相遇的時候所形成的干涉圖樣的變化來探測引力波。這些圖樣依賴於激光束的傳播距離，當引力波穿過時激光束的傳播距離會相應變化。
這種稱之為激光干涉計的探測器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。因為探測器需要尋找的是很微弱的信號，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相當大。
引力波觀測激光干涉儀 (LIGO)
位於美國的 LIGO 觀測所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對封閉在 1.2 米直徑的真空管中的 4 公裏長的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，衹有一對 2 公裏長的臂。
這二套 LIGO 干涉儀在一起工作構成一個觀測所。這是因為激光強度的微小變化、微弱地震和其它幹擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類幹擾信號，其記錄將衹出現在一臺干涉儀中，而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時記錄。所以，科學家可以對二個地點所記錄的數據進行比較得知哪個信號是噪聲。
LIGO 從 2003 年開始收集數據。它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。一係列的升級計劃將更進一步提高其靈敏度。 (來源激光之傢 http://www.laserhome.cn) |
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科學社群中有部分人一開始對於“引力波是否會如同電磁波一般可以傳遞能量”感到睏惑，這樣的睏惑來自於一項事實：引力波沒有局域能量密度——如此對於應力-能量張量的量值不會造成貢獻。不像牛頓引力，愛因斯坦引力不是一項力理論。引力在廣義相對論中不是一種力，它是幾何。因此這樣的場原來被認為不含能量，一如引力勢。然而這場確實可以攜帶能量，如同它可以在遠處作出機械功。而這已經用可傳輸能量的應力-能量偽張量進行證明過，也可看出輻射是如何將能量往外攜帶到無限遠處。
引力波天文學
引力波天文學是觀測天文學20世紀中葉以來逐漸興起的一個新興分支，其發展基礎是廣義相對論中引力的輻射理論在各類相對論性天體係統研究中的應用。與基於電磁波觀測的傳統觀測天文學相對比，引力波天文學是通過引力波這個途徑來觀測發出引力輻射的天體係統。由於萬有引力相互作用和電磁相互作用相比強度十分微弱，引力波的直接觀測對現有技術而言還是一個很大的挑戰。自1916年愛因斯坦發表廣義相對論，在理論上預言引力波的存在以來，引力波至今未能在實驗上直接被檢測到。因此從這個意義上說，真正實現通過引力波的觀測來從實驗上研究天體係統，從而完善引力波天文學這一新興領域還為時尚早。但從相關的理論研究角度來看，理論上的引力波天文學已經存在，它的發展基礎是20世紀中葉以來在引力輻射框架下的天體物理學研究，其中最著名的例子是普林斯頓大學的拉塞爾·赫斯（Russel Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）發現的脈衝雙星，PSR 1913+16，這些研究使人們逐漸發現相對論性引力在天體係統中的重要地位。而從實驗的角度來看，引力波的探測技術研究已經取得了相當的成果，研究人員預測人類很有可能在不遠的將來實現對引力波的直接探測。
廣義相對論預言下的引力波來自於宇宙間帶有強引力場的天文學或宇宙學波源，近半個世紀以來的天體物理學研究表明，引力輻射在天體係統中出現的場合非常豐富。這些可期待的波源包括銀河係內的雙星係統（白矮星、中子星或黑洞等緻密星體組成的雙星），河外星係內的超大質量黑洞的合併，脈衝星的自轉，超新星的引力坍縮，大爆炸留下的背景輻射等等。引力波的觀測意義不僅在於對廣義相對論的直接驗證，更在於它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學從可見光天文學擴展到全波段天文學那樣極大擴展人類的視野。傳統的觀測天文學完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學的出現則標志着觀測手段已經開始超越電磁相互作用的範疇，引力波觀測將揭示關於恆星、星係以及宇宙更多前所未知的信息。
與基於電磁波觀測的傳統觀測天文學不同，引力波天文學具有如下特點：
引力波直接聯繫着波源整體的宏觀運動，而非如電磁波那樣來自單個原子或電子的運動的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星係統觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關於波源運動的宏觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。 如果比較波長與波源尺寸的關係，宇宙間的引力波並不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多，這使得引力波天文學通常不能像電磁波天文學那樣對波源進行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質。 大多數引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到（例如黑洞），這個事實反過來也成立；考慮到現在一般認為宇宙間不發射任何電磁波的暗物質所占比例要遠大於發射電磁波的已知物質，暗物質與外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文學對這些暗物質的觀測具有重要意義。 引力波與物質的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發生衰減或散射，這意味着它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播，這為直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。 |
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yinlibo
引力波
gravitational waves
以波動形式和有限速度傳播的引力場。雖然，愛因斯坦於1916年曾預言,加速的質量可能有引力波存在,但他提出的引力波與坐標選取有關，在某一個參考係看來，引力波可能有能量，而換一個參考係可能就沒有。因此在初期，包括愛因斯坦本人在內的大多數人對引力波都持懷疑態度。1956年，皮拉尼提出一個與坐標係選取無關的引力波定義；1957年，邦迪進而從理論上證明與坐標選取無關的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和羅賓森更進一步證明，靜止物體在引力波脈衝作用下會産生運動，這就間接地證明引力波攜帶着能量，並可被探測到。
廣義相對論預言，引力波的主要性質有：①在真空中以光速傳播；②攜帶能量和與波源有關的信息；③是橫波，在遠源處為平面波；④最低次為四極輻射；⑤輻射強度極弱（如兩個質子組成的旋轉體係輻射的引力波強度約為它所輻射的電磁波強度的1/1037）;⑥物質對引力波吸收效率極低，穿透性極強（如地球對引力波幾乎是透明的）；⑦其偏振特性為兩個獨立的偏振態等。
由於引力輻射極弱，目前還不可能在實驗室裏發射可供探測的引力波。大質量天體的激烈活動可發射出強引力波。例如，雙星體係公轉、中子星自轉、超新星爆發，及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程，都能輻射較強的引力波。
可以通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力輻射的存在。雙星是一種典型的引力波輻射源。雙星由於不斷輻射引力波，能量逐漸減小，從而使間距變小，公轉周期變快。所以，通過對雙星體係公轉周期變化等參數的觀測，即可定量驗證引力輻射阻尼的存在。J.H.泰勒等測得射電脈衝雙星 PSR1913+16 的公轉周期 P□=27906.98172±0.00005秒（1978年11月的值），周期變率 dP□/dt=(-3.2±0.6)×10□；而根據廣義相對論，此雙星體係由於輻射引力波，公轉周期會有如下的變率：dP□/dt=-2.6×10□。實測值在20％的誤差範圍內與廣義相對論預言值相符。這是引力波存在的第一個間接定量證據。檢驗引力波存在的第二個方法是直接探測。引力波攜帶能量，穿過物體時可使物體獲得能量而産生運動。因此，可用質量體係做天綫，直接接收天體源發射來的引力波。引力波傳播時，在垂直於其前進方向的平面內的場是不均勻的。在垂直前進方向的平面內，兩獨立偏振態在某一時刻的力綫梯度與處於該平面內的四個檢驗質量A、B、C、D的受力和運動方向如圖引力波的兩個獨立偏振態的力綫和質點受力圖所示。引力波穿過時,質點隨着波的傳播而作共振運動。美國馬裏蘭大學的J.韋伯首創用一根鋁棒作為天綫進行觀測。天綫的靈敏度與其溫度成反比,與其質量和品質因數的平方根(Q1/2)成正比。所以,現在發展中的天綫多采用低溫（一般用到1～4.2K，最低計劃用3mK）、大質量（最大為5噸）和高品質因數材料（單晶材料Q約為10□）作天綫。為了排除聲、電、機械幹擾,天綫都被置於非常嚴格的隔離環境中,並用相距很遠（上千公裏）的兩地符合來增加置信度。進行過這種觀測的有十幾個組，衹有韋伯宣稱探測到了不能排除是引力波的信號。其他實驗室都沒有得到這一結果，所以韋伯的結果沒有得到公認。現在研製中的低溫大質量天綫、低溫高品質因數材料（單晶）天綫和長基綫高功率激光干涉儀等的最高靈敏度，都要求達到能夠探測近鄰星係中超新星爆發的引力輻射的水平。
參考書目 韋伯著,陳鳳至、張大衛譯:《廣義相對論與引力波》，科學出版社,北京,1977。(J.Weber,General Relativityand Gravitational Waves, Interscience Publ.,NewYork,1961.)
（秦榮先 陳嘉言）
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- : attractive wave
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