论文部分内容阅读
引力是时空弯曲的一种效应，这种弯曲是由于质量的存在而产生的。在特定环境之下，加速物体能够对这个曲率产生变化，并以波的形式向外光速传播，我们把这种传播现象称为引力波。本文在阐述引力波的概念基础上，分析引力波产生的原因，并通过数学公式推导分析了引力波最基本形式双星系统的演化过程，最后简单介绍了一种通过迈克尔逊干涉仪探测引力波的方法，并对引力波的相关应用做出了展望。
引力波定义
一般来说，在给定的空间中包含的质量越多，时空就会被扭曲得越严重。当物体在时空中移动时，扭曲就会改变这些物体的位置。在某些情况下，加速物体在时空中产生引力波，它以光速传播。这些现象被称为引力波。不同于光或其他类型的波，引力波在发射过程中不会受到宇宙尘埃或气体的影响，能在所有时空中平稳地穿越时空，同时产生造成时空的弯曲或扭曲。引力波是由运动物体产生的时空涟漪。在这种情况下，质量或能量的所有东西都能产生引力波。然而，由于重力与其他的力相比非常弱，只有那些有大质量且运动速度非常快的物体才能产生可检测的波，例如一对旋转中子星或黑洞。
引力波的计算
引力波现在被理解为广义相对论的描述。在最简单的情况下，引力波的能量影响可以从其他守恒定律推导出来，比如能量守恒或者动量守恒。引力波的最基本形式是一个双星系统。蔡荣根[ 1 ]对现在常见的求解双星系统模型进行了总结，如爱因斯坦提出的后牛顿近似模型[2]，Regge，Wheeler[3]和Zerilli[4]提出的黑洞微扰模型，本文从高中物理角度出发，对双星系统进行简单推导。
引力波的探測
引力波可以拉伸或压缩其穿过的空间。但是如果两个物体之间的空间被扭曲，这并不会被有效观测，因为被观测的参考系也因此被扭曲。考虑到所有参考系统中的光速都是恒定的，如果采用光的传播进行间接观测，则可以准确地观测出空间的扭曲。如果两个点之间的空间被拉伸，那么光从一个点到另一个点的时间就会变长。同样地，如果空间被压缩，光所走的路程就会变短。这就LIGO[5]实验的原理。它有两条精确的4公里长的隧道，彼此垂直，两束光从反射镜反射回来，并在分束器上重新组合。如果没有引力波或扭曲是空间，光波就会以这样的方式排列起来，它们就会相互消掉。原理如图2，但是当重力波出现时，它会扭曲空间，改变镜子和分束器之间的距离。一条隧道会变长，另一条会变短，同时交替变换。这个来回的拉伸和挤压不断地重复，直到波被通过。当距离改变时，两个返回光波的波峰和波谷之间的对齐和光波在重新组合的光束中被加在一起时不再相互抵消，于是，光发生干涉，被观测出来。为了避免环境噪声的影响，LIGO分别在两地建立了实验室，如果两个实验室都能接收到同样的波，那很可能不是来自地球的噪音，而是来自太空的引力波。第一个观测到的引力波的信号如图3所示。我们可以看到，经过设备分析后的两种波，在模拟成平滑的线后，非常相似。我们可以说它们是来自宇宙的引力波而不是来自周围环境的噪音。
引力波的应用
在继电磁波，中微子等之后，引力波天文学为我们打开一扇全新的窗口，是天文观测的最后一块处女地。引力波，是机械在运动中所产生的波，反映质量分布的变化；引力波可提供其他方法和手段无法获得的信息。万有引力是所有相互作用中最弱的，结果是一方面导致引力波难以产生和探测，另一方面也使其具备最强穿透力，甚至于强过中微子。基于此引力波广泛应用于以下场合。
黑洞合并
黑洞合并，作为大家公认的最强大的引力波源，也是重要的天文现象。在理想状态之下，黑洞合并只能辐射引力波，而实际上，由于天体黑洞吸收积星际物质而产生电磁辐射。我们可以利用电磁波（X射线）间接观测黑洞合并，但缺点是所提供信息非常有限（只证实有黑洞合并现象存在，却不展示具体合并过程）。我们通过科学分析引力波的波形，可以验证这些预测，进而来验证广义相对论理论，同时还可对星系演化、天体运动的整个过程建立起更深刻的认识。
超新星爆炸
超新星爆炸，是引力波理论的重要来源之一。我们现在虽然通过中微子、电磁波等，能够轻而易举地观测到超新星。但引力波能够提供一些独特的细节，这是其他手段难以代替的。再者，由于引力波在一定程度上反映着质量分布的变化，我们就能够借此来获得超新星物质运动变化的整个宏观信息。而引力波的重要特性是轻易穿透恒星的外层物质，并且几乎不发生畸变和衰减，所以我们能够了解超新星内部的实际状况。而这些，对于天体物理，恒星演化等来说，有着重要意义，很值得我们下大力气深入研究。
中子星与黑洞、黑洞与黑洞以及中子星与中子星之间的碰撞，天文界到目前为止还没有任何观测来证实。尽管从客观理论上讲，它们都应该是短伽马射线暴的重要来源。假设我们在观测到短伽马射线暴的同时，能够探测到与之相联系的引力波，将可以进一步证实伽马射线暴与中子星之间的相互关系，从而很大程度上推进我们对于相关科学领域的认知和了解。
暴涨过程
对于宇宙的早期认识，我们从目前情况来看，主要还是来自于宇宙微波背景辐射（CMB）。基于早期宇宙是高密度的“等离子汤”，而电磁波是无法穿透它的，这样就只能反映诞生38万年以后的宇宙的事情了，其局限性显而易见。然而由于引力波的存在就不同了，它所具备的超强穿透特性，完全能够穿越早期“等离子汤”，这样我们就可以记录“宇宙大爆炸”早期，甚至超早期事件，如暴涨等。那么，现实中是否存在“引力波背景辐射”，即我们通常所说的“原初引力波”，对于这一点，我们完全有理由相信——答案是肯定的。
结论
宇宙无限，科学探索永无止境。引力波的发现，验证了广义相对论预言。在强引力场环境下，为研究人员进一步验证广义相对论提供了可能，同时也为人类探索宇宙打开一扇新窗口。本文讨论了引力波的产生机理，通过双星模型系统的阐述了计算理论，同时简单介绍了探测引力波的手段——迈克尔逊干涉，最后，提出了引力波应用的设想。总之，引力波是当代物理学前沿研究领域之一，具有重要的研究价值与意义。
参考文献
[1]蔡荣根，曹周键，韩文标.并合双星系统的引力波理论模型[J].科学通报，2016，61（14）：1525-1535.
[2]Einstein A，Infeld L，Hoffmann B.The gravitational equations and the problem of motion. Anna Math，1938（39）：65-100.
[3]Regge T，Wheeler J.Stability of a Schwarzschild singularity.Phys Rev，1957（108）：1063-1069.
[4]Zerilli F.Gravitational field of a particle falling in a Schwarzschild geometry analyzed in tensor harmonics. Phys Rev D，1970（2）：2141-2151.
[5]Abramovici A，Althouse W E，Drever R W P，et al.LIGO：The laser interferometer gravitational- wave observatory[J].Science，1992，256（5055）：325-333.
（作者简介：陈柯含，上海交通大学附属中学。）
引力波定义
一般来说，在给定的空间中包含的质量越多，时空就会被扭曲得越严重。当物体在时空中移动时，扭曲就会改变这些物体的位置。在某些情况下，加速物体在时空中产生引力波，它以光速传播。这些现象被称为引力波。不同于光或其他类型的波，引力波在发射过程中不会受到宇宙尘埃或气体的影响，能在所有时空中平稳地穿越时空，同时产生造成时空的弯曲或扭曲。引力波是由运动物体产生的时空涟漪。在这种情况下，质量或能量的所有东西都能产生引力波。然而，由于重力与其他的力相比非常弱，只有那些有大质量且运动速度非常快的物体才能产生可检测的波，例如一对旋转中子星或黑洞。
引力波的计算
引力波现在被理解为广义相对论的描述。在最简单的情况下，引力波的能量影响可以从其他守恒定律推导出来，比如能量守恒或者动量守恒。引力波的最基本形式是一个双星系统。蔡荣根[ 1 ]对现在常见的求解双星系统模型进行了总结，如爱因斯坦提出的后牛顿近似模型[2]，Regge，Wheeler[3]和Zerilli[4]提出的黑洞微扰模型，本文从高中物理角度出发，对双星系统进行简单推导。
引力波的探測
引力波可以拉伸或压缩其穿过的空间。但是如果两个物体之间的空间被扭曲，这并不会被有效观测，因为被观测的参考系也因此被扭曲。考虑到所有参考系统中的光速都是恒定的，如果采用光的传播进行间接观测，则可以准确地观测出空间的扭曲。如果两个点之间的空间被拉伸，那么光从一个点到另一个点的时间就会变长。同样地，如果空间被压缩，光所走的路程就会变短。这就LIGO[5]实验的原理。它有两条精确的4公里长的隧道，彼此垂直，两束光从反射镜反射回来，并在分束器上重新组合。如果没有引力波或扭曲是空间，光波就会以这样的方式排列起来，它们就会相互消掉。原理如图2，但是当重力波出现时，它会扭曲空间，改变镜子和分束器之间的距离。一条隧道会变长，另一条会变短，同时交替变换。这个来回的拉伸和挤压不断地重复，直到波被通过。当距离改变时，两个返回光波的波峰和波谷之间的对齐和光波在重新组合的光束中被加在一起时不再相互抵消，于是，光发生干涉，被观测出来。为了避免环境噪声的影响，LIGO分别在两地建立了实验室，如果两个实验室都能接收到同样的波，那很可能不是来自地球的噪音，而是来自太空的引力波。第一个观测到的引力波的信号如图3所示。我们可以看到，经过设备分析后的两种波，在模拟成平滑的线后，非常相似。我们可以说它们是来自宇宙的引力波而不是来自周围环境的噪音。
引力波的应用
在继电磁波，中微子等之后，引力波天文学为我们打开一扇全新的窗口，是天文观测的最后一块处女地。引力波，是机械在运动中所产生的波，反映质量分布的变化；引力波可提供其他方法和手段无法获得的信息。万有引力是所有相互作用中最弱的，结果是一方面导致引力波难以产生和探测，另一方面也使其具备最强穿透力，甚至于强过中微子。基于此引力波广泛应用于以下场合。
黑洞合并
黑洞合并，作为大家公认的最强大的引力波源，也是重要的天文现象。在理想状态之下，黑洞合并只能辐射引力波，而实际上，由于天体黑洞吸收积星际物质而产生电磁辐射。我们可以利用电磁波（X射线）间接观测黑洞合并，但缺点是所提供信息非常有限（只证实有黑洞合并现象存在，却不展示具体合并过程）。我们通过科学分析引力波的波形，可以验证这些预测，进而来验证广义相对论理论，同时还可对星系演化、天体运动的整个过程建立起更深刻的认识。
超新星爆炸
超新星爆炸，是引力波理论的重要来源之一。我们现在虽然通过中微子、电磁波等，能够轻而易举地观测到超新星。但引力波能够提供一些独特的细节，这是其他手段难以代替的。再者，由于引力波在一定程度上反映着质量分布的变化，我们就能够借此来获得超新星物质运动变化的整个宏观信息。而引力波的重要特性是轻易穿透恒星的外层物质，并且几乎不发生畸变和衰减，所以我们能够了解超新星内部的实际状况。而这些，对于天体物理，恒星演化等来说，有着重要意义，很值得我们下大力气深入研究。
中子星与黑洞、黑洞与黑洞以及中子星与中子星之间的碰撞，天文界到目前为止还没有任何观测来证实。尽管从客观理论上讲，它们都应该是短伽马射线暴的重要来源。假设我们在观测到短伽马射线暴的同时，能够探测到与之相联系的引力波，将可以进一步证实伽马射线暴与中子星之间的相互关系，从而很大程度上推进我们对于相关科学领域的认知和了解。
暴涨过程
对于宇宙的早期认识，我们从目前情况来看，主要还是来自于宇宙微波背景辐射（CMB）。基于早期宇宙是高密度的“等离子汤”，而电磁波是无法穿透它的，这样就只能反映诞生38万年以后的宇宙的事情了，其局限性显而易见。然而由于引力波的存在就不同了，它所具备的超强穿透特性，完全能够穿越早期“等离子汤”，这样我们就可以记录“宇宙大爆炸”早期，甚至超早期事件，如暴涨等。那么，现实中是否存在“引力波背景辐射”，即我们通常所说的“原初引力波”，对于这一点，我们完全有理由相信——答案是肯定的。
结论
宇宙无限，科学探索永无止境。引力波的发现，验证了广义相对论预言。在强引力场环境下，为研究人员进一步验证广义相对论提供了可能，同时也为人类探索宇宙打开一扇新窗口。本文讨论了引力波的产生机理，通过双星模型系统的阐述了计算理论，同时简单介绍了探测引力波的手段——迈克尔逊干涉，最后，提出了引力波应用的设想。总之，引力波是当代物理学前沿研究领域之一，具有重要的研究价值与意义。
参考文献
[1]蔡荣根，曹周键，韩文标.并合双星系统的引力波理论模型[J].科学通报，2016，61（14）：1525-1535.
[2]Einstein A，Infeld L，Hoffmann B.The gravitational equations and the problem of motion. Anna Math，1938（39）：65-100.
[3]Regge T，Wheeler J.Stability of a Schwarzschild singularity.Phys Rev，1957（108）：1063-1069.
[4]Zerilli F.Gravitational field of a particle falling in a Schwarzschild geometry analyzed in tensor harmonics. Phys Rev D，1970（2）：2141-2151.
[5]Abramovici A，Althouse W E，Drever R W P，et al.LIGO：The laser interferometer gravitational- wave observatory[J].Science，1992，256（5055）：325-333.
（作者简介：陈柯含，上海交通大学附属中学。）