淺談引力波及其應(yīng)用

引力是時(shí)空彎曲的一種效應(yīng)，這種彎曲是由于質(zhì)量的存在而產(chǎn)生的。在特定環(huán)境之下，加速物體能夠?qū)@個(gè)曲率產(chǎn)生變化，并以波的形式向外光速傳播，我們把這種傳播現(xiàn)象稱為引力波。本文在闡述引力波的概念基礎(chǔ)上，分析引力波產(chǎn)生的原因，并通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)分析了引力波最基本形式雙星系統(tǒng)的演化過程，最后簡(jiǎn)單介紹了一種通過邁克爾遜干涉儀探測(cè)引力波的方法，并對(duì)引力波的相關(guān)應(yīng)用做出了展望。

引力波定義

一般來說，在給定的空間中包含的質(zhì)量越多，時(shí)空就會(huì)被扭曲得越嚴(yán)重。當(dāng)物體在時(shí)空中移動(dòng)時(shí)，扭曲就會(huì)改變這些物體的位置。在某些情況下，加速物體在時(shí)空中產(chǎn)生引力波，它以光速傳播。這些現(xiàn)象被稱為引力波。不同于光或其他類型的波，引力波在發(fā)射過程中不會(huì)受到宇宙塵?；驓怏w的影響，能在所有時(shí)空中平穩(wěn)地穿越時(shí)空，同時(shí)產(chǎn)生造成時(shí)空的彎曲或扭曲。引力波是由運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。在這種情況下，質(zhì)量或能量的所有東西都能產(chǎn)生引力波。然而，由于重力與其他的力相比非常弱，只有那些有大質(zhì)量且運(yùn)動(dòng)速度非?？斓奈矬w才能產(chǎn)生可檢測(cè)的波，例如一對(duì)旋轉(zhuǎn)中子星或黑洞。

引力波的計(jì)算

引力波現(xiàn)在被理解為廣義相對(duì)論的描述。在最簡(jiǎn)單的情況下，引力波的能量影響可以從其他守恒定律推導(dǎo)出來，比如能量守恒或者動(dòng)量守恒。引力波的最基本形式是一個(gè)雙星系統(tǒng)。蔡榮根[ 1 ]對(duì)現(xiàn)在常見的求解雙星系統(tǒng)模型進(jìn)行了總結(jié)，如愛因斯坦提出的后牛頓近似模型[2]，Regge，Wheeler[3]和Zerilli[4]提出的黑洞微擾模型，本文從高中物理角度出發(fā)，對(duì)雙星系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單推導(dǎo)。

引力波的探測(cè)

引力波可以拉伸或壓縮其穿過的空間。但是如果兩個(gè)物體之間的空間被扭曲，這并不會(huì)被有效觀測(cè)，因?yàn)楸挥^測(cè)的參考系也因此被扭曲?？紤]到所有參考系統(tǒng)中的光速都是恒定的，如果采用光的傳播進(jìn)行間接觀測(cè)，則可以準(zhǔn)確地觀測(cè)出空間的扭曲。如果兩個(gè)點(diǎn)之間的空間被拉伸，那么光從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)。同樣地，如果空間被壓縮，光所走的路程就會(huì)變短。這就LIGO[5]實(shí)驗(yàn)的原理。它有兩條精確的4公里長(zhǎng)的隧道，彼此垂直，兩束光從反射鏡反射回來，并在分束器上重新組合。如果沒有引力波或扭曲是空間，光波就會(huì)以這樣的方式排列起來，它們就會(huì)相互消掉。原理如圖2，但是當(dāng)重力波出現(xiàn)時(shí)，它會(huì)扭曲空間，改變鏡子和分束器之間的距離。一條隧道會(huì)變長(zhǎng)，另一條會(huì)變短，同時(shí)交替變換。這個(gè)來回的拉伸和擠壓不斷地重復(fù)，直到波被通過。當(dāng)距離改變時(shí)，兩個(gè)返回光波的波峰和波谷之間的對(duì)齊和光波在重新組合的光束中被加在一起時(shí)不再相互抵消，于是，光發(fā)生干涉，被觀測(cè)出來。為了避免環(huán)境噪聲的影響，LIGO分別在兩地建立了實(shí)驗(yàn)室，如果兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室都能接收到同樣的波，那很可能不是來自地球的噪音，而是來自太空的引力波。第一個(gè)觀測(cè)到的引力波的信號(hào)如圖3所示。我們可以看到，經(jīng)過設(shè)備分析后的兩種波，在模擬成平滑的線后，非常相似。我們可以說它們是來自宇宙的引力波而不是來自周圍環(huán)境的噪音。

引力波的應(yīng)用

在繼電磁波，中微子等之后，引力波天文學(xué)為我們打開一扇全新的窗口，是天文觀測(cè)的最后一塊處女地。引力波，是機(jī)械在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的波，反映質(zhì)量分布的變化；引力波可提供其他方法和手段無法獲得的信息。萬有引力是所有相互作用中最弱的，結(jié)果是一方面導(dǎo)致引力波難以產(chǎn)生和探測(cè)，另一方面也使其具備最強(qiáng)穿透力，甚至于強(qiáng)過中微子?；诖艘Σ◤V泛應(yīng)用于以下場(chǎng)合。

黑洞合并

黑洞合并，作為大家公認(rèn)的最強(qiáng)大的引力波源，也是重要的天文現(xiàn)象。在理想狀態(tài)之下，黑洞合并只能輻射引力波，而實(shí)際上，由于天體黑洞吸收積星際物質(zhì)而產(chǎn)生電磁輻射。我們可以利用電磁波（X射線）間接觀測(cè)黑洞合并，但缺點(diǎn)是所提供信息非常有限（只證實(shí)有黑洞合并現(xiàn)象存在，卻不展示具體合并過程）。我們通過科學(xué)分析引力波的波形，可以驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)，進(jìn)而來驗(yàn)證廣義相對(duì)論理論，同時(shí)還可對(duì)星系演化、天體運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程建立起更深刻的認(rèn)識(shí)。

超新星爆炸

超新星爆炸，是引力波理論的重要來源之一。我們現(xiàn)在雖然通過中微子、電磁波等，能夠輕而易舉地觀測(cè)到超新星。但引力波能夠提供一些獨(dú)特的細(xì)節(jié)，這是其他手段難以代替的。再者，由于引力波在一定程度上反映著質(zhì)量分布的變化，我們就能夠借此來獲得超新星物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的整個(gè)宏觀信息。而引力波的重要特性是輕易穿透恒星的外層物質(zhì)，并且?guī)缀醪话l(fā)生畸變和衰減，所以我們能夠了解超新星內(nèi)部的實(shí)際狀況。而這些，對(duì)于天體物理，恒星演化等來說，有著重要意義，很值得我們下大力氣深入研究。

中子星與黑洞、黑洞與黑洞以及中子星與中子星之間的碰撞，天文界到目前為止還沒有任何觀測(cè)來證實(shí)。盡管從客觀理論上講，它們都應(yīng)該是短伽馬射線暴的重要來源。假設(shè)我們?cè)谟^測(cè)到短伽馬射線暴的同時(shí)，能夠探測(cè)到與之相聯(lián)系的引力波，將可以進(jìn)一步證實(shí)伽馬射線暴與中子星之間的相互關(guān)系，從而很大程度上推進(jìn)我們對(duì)于相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的認(rèn)知和了解。

暴漲過程

對(duì)于宇宙的早期認(rèn)識(shí)，我們從目前情況來看，主要還是來自于宇宙微波背景輻射（CMB）。基于早期宇宙是高密度的“等離子湯”，而電磁波是無法穿透它的，這樣就只能反映誕生38萬年以后的宇宙的事情了，其局限性顯而易見。然而由于引力波的存在就不同了，它所具備的超強(qiáng)穿透特性，完全能夠穿越早期“等離子湯”，這樣我們就可以記錄“宇宙大爆炸”早期，甚至超早期事件，如暴漲等。那么，現(xiàn)實(shí)中是否存在“引力波背景輻射”，即我們通常所說的“原初引力波”，對(duì)于這一點(diǎn)，我們完全有理由相信——答案是肯定的。

結(jié)論

宇宙無限，科學(xué)探索永無止境。引力波的發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證了廣義相對(duì)論預(yù)言。在強(qiáng)引力場(chǎng)環(huán)境下，為研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論提供了可能，同時(shí)也為人類探索宇宙打開一扇新窗口。本文討論了引力波的產(chǎn)生機(jī)理，通過雙星模型系統(tǒng)的闡述了計(jì)算理論，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了探測(cè)引力波的手段——邁克爾遜干涉，最后，提出了引力波應(yīng)用的設(shè)想?？傊Σㄊ钱?dāng)代物理學(xué)前沿研究領(lǐng)域之一，具有重要的研究?jī)r(jià)值與意義。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡榮根，曹周鍵，韓文標(biāo).并合雙星系統(tǒng)的引力波理論模型[J].科學(xué)通報(bào)，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.

（作者簡(jiǎn)介：陳柯含，上海交通大學(xué)附屬中學(xué)。）endprint