引力波及其探测ppt课件

第十讲第十讲：引力波及引力波的探测引力波及引力波的探测现代天文学 第十讲第十讲：引力波及引力波1问题：什么是引力？什么是引力波？问题：什么是引力？什么是引力波？2万有引力的本质万有引力的本质人们熟知的万有引力的本人们熟知的万有引力的本质是什么？质是什么？牛顿认为是一种即时超距牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的作用，不需要传递的“信使信使”。爱因斯坦则认为是一种跟爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引电磁波一样的波动，称为引力波。力波。万有引力的本质人们熟知的万有引力的本质是什么？3引力波的预言引力波的预言-牛顿的引力理论牛顿的引力理论牛顿认识到将苹果拉向地球的力很可能与使月牛顿认识到将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。那么，所有物体亮围绕地球转的力是一样的。那么，所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。所有物体都互相吸引。质所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减离开物体距离的增大而减小。这就是引力定理。小。这就是引力定理。引力波的预言-牛顿的引力理论牛顿认识到将苹果拉向地球的4引力波的预言引力波的预言-牛顿的引力理论的贡牛顿的引力理论的贡献献牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括的包括的潮汐产生原因潮汐产生原因，地球和月亮的运动，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题以及彗星的轨道问题。虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的在随后的300300年中，引力产生的原因仍然年中，引力产生的原因仍然是个谜。是个谜。引力波的预言-牛顿的引力理论的贡献牛顿的理论解决了许多5引力波的预言引力波的预言-牛顿的引力理论的缺牛顿的引力理论的缺陷陷随着科学家们发展出更好的天文学工具，随着科学家们发展出更好的天文学工具，他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言的有些稍微的差别。的有些稍微的差别。比如说，牛顿理论对于比如说，牛顿理论对于水星运行轨道的预水星运行轨道的预测与实际观察的结果测与实际观察的结果稍微有些不同。稍微有些不同。如果太阳突然消失，将会发生什么事？如果太阳突然消失，将会发生什么事？该问题的解释不能令人满意。该问题的解释不能令人满意。引力波的预言-牛顿的引力理论的缺陷随着科学家们发展出更6根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。引力波的预言引力波的预言-牛顿的引力理论的缺牛顿的引力理论的缺陷陷根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着7爱因斯坦的解释：爱因斯坦的解释：信息能瞬时通过宇宙传播的这个思想被称为信息能瞬时通过宇宙传播的这个思想被称为超距作用超距作用。爱因斯坦和其他很多科学家都被。爱因斯坦和其他很多科学家都被超距作用所困扰，因为它意味着信息可以传超距作用所困扰，因为它意味着信息可以传播得比光还快。播得比光还快。爱因斯坦在爱因斯坦在 1916 1916 年终于解决了超距作用这年终于解决了超距作用这个问题。他解释，重力不像牛顿说的那样是个问题。他解释，重力不像牛顿说的那样是瞬时传播的，它的传播需要时间。瞬时传播的，它的传播需要时间。爱因斯坦以详细的理由说明离太阳越远的行爱因斯坦以详细的理由说明离太阳越远的行星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星会先飞离轨道。会先飞离轨道。爱因斯坦的解释：信息能瞬时通过宇宙传播的这个思想被称为超距作8引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论爱因斯坦狭义相对论日常经验让我们得到：物体之间的相对运动速度。日常经验让我们得到：物体之间的相对运动速度。三者观察汽车速度是不一样的三者观察汽车速度是不一样的科学家们认为，因科学家们认为，因为地球是在围绕太为地球是在围绕太阳运行，阳运行，如果我们如果我们沿不同方向测量光沿不同方向测量光的速度，将得到不的速度，将得到不同的结果。同的结果。1895 1895 年，阿尔伯特年，阿尔伯特迈克尔逊和爱德华迈克尔逊和爱德华莫雷进行了这个实验，莫雷进行了这个实验，并且出乎意料地并且出乎意料地未能发现光在不同方向的传播速度有任何的差异。未能发现光在不同方向的传播速度有任何的差异。引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论日常经验让我们得到：物9阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦在爱因斯坦在 1905 1905 年解释了这年解释了这个现象，他认为不同于车的速度，光的速个现象，他认为不同于车的速度，光的速度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论爱因斯坦狭义相对论换句话说，即使你跑换句话说，即使你跑得非常快，你也无法得非常快，你也无法追上光。追上光。爱因斯坦决心重新审查万有引力爱因斯坦决心重新审查万有引力理论，他在自述这篇文章中，理论，他在自述这篇文章中，写下了这样一句话：写下了这样一句话：“牛顿啊，牛顿啊，请原谅我请原谅我”牛顿啊，请牛顿啊，请原谅我原谅我阿尔伯特爱因斯坦在 1905 年解释了这个现象，他认为不同10狭义相对论的原理：狭义相对论的原理：l光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的速度。速度。l物理学的法则并不依赖于观测者的运动，除非物理学的法则并不依赖于观测者的运动，除非观测者的速度有变化。观测者的速度有变化。设想有两个人在观察一束光。对于静止站设想有两个人在观察一束光。对于静止站立的人，光速是每秒立的人，光速是每秒 30 30万公里；对于在万公里；对于在以以 18 18 万公里每秒时速飞行的太空船中的万公里每秒时速飞行的太空船中的人来说，光速仍将是每秒人来说，光速仍将是每秒 30 30 万公里。但万公里。但是这又怎么可能呢？是这又怎么可能呢？引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论爱因斯坦狭义相对论狭义相对论的原理：引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论11按照爱因斯坦的理论，运动中的物体在比按照爱因斯坦的理论，运动中的物体在比它静止时来得短。类似地，运动中的时钟它静止时来得短。类似地，运动中的时钟跳得比静止的时钟更慢。跳得比静止的时钟更慢。爱因斯坦推断空间和时间可以精确得描述爱因斯坦推断空间和时间可以精确得描述为一个整体为一个整体-时空。时空。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦狭义相对论爱因斯坦狭义相对论按照爱因斯坦的理论，运动中的物体在比它静止时来得短。类似地，12修改引力定义修改引力定义l在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样感觉不到地心引力的作用。感觉不到地心引力的作用。l在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。球上的人相同的引力作用。l广义相对论的基本假定是广义相对论的基本假定是地球上的物体感受到的地球上的物体感受到的地心引力和远离大质量物体、恒定加速的物体所地心引力和远离大质量物体、恒定加速的物体所感受到的力是完全相同的感受到的力是完全相同的。爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论修改引力定义引力波的预言-爱因斯坦广义相对论13他认为物体之所以会互相吸引是因为他认为物体之所以会互相吸引是因为重的重的物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲时空中的最短路径。时空中的最短路径。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论爱因斯坦通爱因斯坦通过数学方法过数学方法发现时空结发现时空结构是弹性的，构是弹性的，就像蹦床。就像蹦床。他认为物体之所以会互相吸引是因为重的物体扭曲了时空，其它物体14想像在蹦床中心放一个保龄球。球的重量将使想像在蹦床中心放一个保龄球。球的重量将使蹦床中部下陷。而蹦床边缘的轻物体，比如网蹦床中部下陷。而蹦床边缘的轻物体，比如网球，将沿着曲面移向保龄球球，将沿着曲面移向保龄球-就像行星围绕着就像行星围绕着太阳运行。太阳运行。蹦床的下陷描绘了大质量物体如何扭曲时空。蹦床的下陷描绘了大质量物体如何扭曲时空。网球的移动路径说明了物体在扭曲时空沿最短网球的移动路径说明了物体在扭曲时空沿最短路径移动。路径移动。牛顿认为地心引力是两个物体间的牛顿认为地心引力是两个物体间的神秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空神秘作用力，而爱因斯坦认为它反映的是时空的扭曲的扭曲 。想像在蹦床中心放一个保龄球。球的重量将使蹦床中部下陷。而蹦床15广义相对论的预言之一是广义相对论的预言之一是光线经过大质量物体时光线经过大质量物体时会弯曲会弯曲。大质量物体会扭曲它们周围的时空，以。大质量物体会扭曲它们周围的时空，以至任何物质，即便是光，在穿越时空时也将按弯至任何物质，即便是光，在穿越时空时也将按弯曲的路线行进。曲的路线行进。1919 1919 年，阿瑟年，阿瑟艾丁顿通过在日全食时测量太艾丁顿通过在日全食时测量太阳边缘处的星光对这个预言进行了验证。他的结阳边缘处的星光对这个预言进行了验证。他的结果完美地符合了爱因斯坦的预言。这也是对爱因果完美地符合了爱因斯坦的预言。这也是对爱因斯坦理论的第一个实验上的证实，并使他在科学斯坦理论的第一个实验上的证实，并使他在科学界和公众中迅速成名。界和公众中迅速成名。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论广义相对论的预言之一是光线经过大质量物体时会弯曲。大质量物体16引力辐射引力辐射电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。是广义相对论的一项重要预言。广义相对论认为：引力是广义相对论认为：引力是由空间由空间时间几何（也时间几何（也就是，不仅考虑空间中的就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离而引力场影响时间和距离的测量。的测量。引力辐射电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时17广义相对论广义相对论广义相对论（广义相对论（General RelativityGeneral Relativity）是爱因斯）是爱因斯坦于坦于19151915年以几何语言建立而成的引力理论，年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有考虑重力时的情况；而万有引力定律则是在有考虑重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。距离近、引力小和速度慢时的情况。广义相对论广义相对论（General Relativity18应用广义相对论回答刚开始提出的问题：如果太应用广义相对论回答刚开始提出的问题：如果太阳突然消失，将会发生什么？阳突然消失，将会发生什么？根据广义相对论，行星之所以环绕太阳是因为它根据广义相对论，行星之所以环绕太阳是因为它们沿弯曲时空的最短路线行走。们沿弯曲时空的最短路线行走。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论如果太阳突然消失，它周围的时如果太阳突然消失，它周围的时空会发生改变。依据爱因斯坦的空会发生改变。依据爱因斯坦的理论，在水星附近的时空会比在理论，在水星附近的时空会比在冥王星附近的时空先发生改变，冥王星附近的时空先发生改变，所以水星会先飞出轨道。所以水星会先飞出轨道。这些时空的改变以引力波的形式这些时空的改变以引力波的形式传递传递应用广义相对论回答刚开始提出的问题：如果太阳突然消失，将会发19把引力波想象成投入池塘中的石头引起的水把引力波想象成投入池塘中的石头引起的水波可能会帮助理解。当石头投入水面时，在波可能会帮助理解。当石头投入水面时，在石头周围的水就立刻被扰动，并且扰动会从石头周围的水就立刻被扰动，并且扰动会从那里传播到其他地方。那里传播到其他地方。引力波的预言引力波的预言-爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论相似的，大质量物体的质相似的，大质量物体的质量或者速度的突然改变会量或者速度的突然改变会扰动周围的时空，然后这扰动周围的时空，然后这些扰动会用引力波的形式些扰动会用引力波的形式传播出去。传播出去。把引力波想象成投入池塘中的石头引起的水波可能会帮助理解。当石20引力波的提出m麦克斯韦麦克斯韦 电磁场理论电磁场理论爱因斯坦爱因斯坦 引力场理论引力场理论电荷电荷电磁波电磁波电磁场电磁场光子光子引力场引力场引力波引力波物质物质引力子引力子引力波的提出m麦克斯韦 电磁场理论爱因斯坦 引力场理论21引力波的探测引力波的探测22引力子的探测引力子的探测 引力波人工源爱因斯坦在爱因斯坦在19161916年年提出了一个旋转棒提出了一个旋转棒的方案：的方案：用一根二十用一根二十米长、五百吨重的钢棒，米长、五百吨重的钢棒，以非常快的速度绕棒的以非常快的速度绕棒的中心旋转，就能产生引中心旋转，就能产生引力子来。力子来。不过，要使这样的庞然大物飞速旋转，实在太困难不过，要使这样的庞然大物飞速旋转，实在太困难了，即使旋转了，从目前的技术水平来讲，人们还了，即使旋转了，从目前的技术水平来讲，人们还是找不到引力子的，因为用这种方法产生的引力子是找不到引力子的，因为用这种方法产生的引力子是非常微弱的。是非常微弱的。引力子的探测 引力波人工源爱因斯坦在1916年提出了一23在实验室条件下的一个在实验室条件下的一个 估算：估算：目前的实验精度目前的实验精度无法测量！无法测量！在实验室条件下的一个 估算：目前的实验精度无法测量！24宇宙天体是巨大的引力波源宇宙天体是巨大的引力波源 一个电子作变速运动（或来回振动）辐射一个电子作变速运动（或来回振动）辐射的电磁波是无法接收的，而一大群电子来的电磁波是无法接收的，而一大群电子来回振动（振荡）辐射的电磁波则要强大得回振动（振荡）辐射的电磁波则要强大得多，完全可以被接收到；多，完全可以被接收到；同样，一个质点同样，一个质点作变速运动（或来回振动）辐射的引力波作变速运动（或来回振动）辐射的引力波也是难以接收的，一个含巨大质量的物体也是难以接收的，一个含巨大质量的物体作变速运动（或来回振动）辐射的引力波作变速运动（或来回振动）辐射的引力波就一定很强大，是可能被接收到的。就一定很强大，是可能被接收到的。做变速运动的巨大物体在宇宙中比比皆是，做变速运动的巨大物体在宇宙中比比皆是，那就是星系和大质量天体。那就是星系和大质量天体。宇宙天体是巨大的引力波源 一个电子作变速运动（或来回振动）辐25天体引力波源天体引力波源更大规模的质量重新分布将会产生更强的更大规模的质量重新分布将会产生更强的引力波，例如一颗恒星坍缩成一个黑洞，引力波，例如一颗恒星坍缩成一个黑洞，或者两颗恒星相撞，有可能产生我们可以或者两颗恒星相撞，有可能产生我们可以检测到的引力波。检测到的引力波。天体作为引力波天体作为引力波的波源，大概有的波源，大概有三类：三类：l爆发源爆发源 l周期性连续源周期性连续源l宇宙本底辐射宇宙本底辐射天体引力波源更大规模的质量重新分布将会产生更强的引力波，例如26理论研究表明理论研究表明:只有由两颗中子星组成的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。双星体系才有可能检验引力辐射阻尼。在已经发现的大约五百颗脉冲星中在已经发现的大约五百颗脉冲星中,PSR,PSR 1913+16 1913+16 是最早的一个由两颗中子星组成是最早的一个由两颗中子星组成的双星系统。的双星系统。l轨道周期轨道周期7.757.75小时小时l椭率椭率0.6170.617引力子的探测引力子的探测 引力波自然源引力波自然源理论研究表明:只有由两颗中子星组成的双星体系才有可能检验引27从从19741974年以后年以后,泰勒和他的合作者赫尔斯泰勒和他的合作者赫尔斯不断地分析积累多年的观测资料不断地分析积累多年的观测资料,发现：发现：l双星相互旋转一周每十年减少双星相互旋转一周每十年减少4 4秒秒l相当于每年相互靠近一厘米相当于每年相互靠近一厘米到到20042004年又发现了由一对高速旋状的中子年又发现了由一对高速旋状的中子星组成的双星系统星组成的双星系统-PSRJ0737-3039A/B-PSRJ0737-3039A/B轨道周期更短引力辐射更强轨道周期更短引力辐射更强l周期周期2.42.4小时小时l椭率椭率0.0880.088引力子的探测引力子的探测 引力波自然源引力波自然源从1974年以后,泰勒和他的合作者赫尔斯不断地分析积累多年28根据相对论计算双星系统的轨道运动会因为根据相对论计算双星系统的轨道运动会因为辐射引力波而使周期变短，轨道变小辐射引力波而使周期变短，轨道变小理论计算和观测结果误差不超过理论计算和观测结果误差不超过0.5%0.5%这是引力波存在的第一个间接定量证据，这是引力波存在的第一个间接定量证据，是是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证。对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证。引力子的探测引力子的探测 引力波自然源引力波自然源根据相对论计算双星系统的轨道运动会因为辐射引力波而使周期变短29引力子的探测引力子的探测 引力波自然源19931993年年NobelNobel奖颁给两位美国科学家赫尔斯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和泰勒，就是奖励他们观察致密双脉冲星PSR1913+16 PSR1913+16 获得引力辐射的间接证据。获得引力辐射的间接证据。目前引力波的直接检测已成为现代物理学重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。大课题中的当务之急。天体连续引力波源的特点：天体连续引力波源的特点：连续谱，频率较连续谱，频率较低，源比较确定。低，源比较确定。引力子的探测 引力波自然源1993年Nobel奖颁给两30周期性连续源周期性连续源双星旋转、中子星自转；星体的旋转或自双星旋转、中子星自转；星体的旋转或自转，其各部分运动的轨迹必定是曲线，曲转，其各部分运动的轨迹必定是曲线，曲线运动也是一种变速运动。星体旋转或自线运动也是一种变速运动。星体旋转或自转常常有自己的周期，所以它们是周期性转常常有自己的周期，所以它们是周期性的引力波连续辐射源。的引力波连续辐射源。周期性连续源双星旋转、中子星自转；星体的旋转或自转，其各部分31天体爆发引力波源：超新星爆发，天体引天体爆发引力波源：超新星爆发，天体引力坍塌，黑洞合并等。力坍塌，黑洞合并等。特点：随机性。特点：随机性。引力子的探测引力子的探测 引力波自然源天体爆发引力波源：超新星爆发，天体引力坍塌，黑洞合并等。引力32爆发源超新星爆发，其上各部分必然急剧加速运动；超新星爆发，其上各部分必然急剧加速运动；星体坍缩，或黑洞俘获物质，也是一种剧烈的星体坍缩，或黑洞俘获物质，也是一种剧烈的变速运动，它们均属于爆发性的，称为引力波变速运动，它们均属于爆发性的，称为引力波爆发源。爆发源。爆发源超新星爆发，其上各部分必然急剧加速运动；星体坍缩，或黑33黑洞（球对称）本身不辐射引力波，但黑洞在产生或两个黑洞（球对称）本身不辐射引力波，但黑洞在产生或两个黑洞合并（碰撞）的过程中将强烈地辐射引力波。黑洞合并（碰撞）的过程中将强烈地辐射引力波。借助美国宇航局的借助美国宇航局的“钱德拉钱德拉”X”X射线望远镜，由德国、荷兰和美国等国射线望远镜，由德国、荷兰和美国等国天文学家组成的一个研究小组首次证实，两个巨型黑洞可以同时共存于天文学家组成的一个研究小组首次证实，两个巨型黑洞可以同时共存于一个星系之中。这一发现为研究黑洞和星系的形成等提供了重要线索。一个星系之中。这一发现为研究黑洞和星系的形成等提供了重要线索。天文学家们预测说，新发现的两个黑洞有可能在未来几亿年中互相靠天文学家们预测说，新发现的两个黑洞有可能在未来几亿年中互相靠拢，最终合并为一个更为巨大的黑洞，并释放出极其强大的引力波。拢，最终合并为一个更为巨大的黑洞，并释放出极其强大的引力波。黑洞（球对称）本身不辐射引力波，但黑洞在产生或两个黑洞合并（34宇宙本底辐射宇宙本底辐射来自太空的引力波背景辐射，它们千年不衰，来自太空的引力波背景辐射，它们千年不衰，万世不竭。源头何在？万世不竭。源头何在？而在引力波天空中，始终响着嗡嗡的背景声，而在引力波天空中，始终响着嗡嗡的背景声，那是宇宙创生的回音，这才算得上是大爆炸的那是宇宙创生的回音，这才算得上是大爆炸的真正遗迹（与微波背景辐射相比）。真正遗迹（与微波背景辐射相比）。理论家认为，最早的引力波理论家认为，最早的引力波产生于创生后产生于创生后1010-36-36秒，它在秒，它在宇宙空间传播，既不被物质宇宙空间传播，既不被物质吸收也不被散射，故它携带吸收也不被散射，故它携带着宇宙创生的真面目。着宇宙创生的真面目。宇宙本底辐射来自太空的引力波背景辐射，它们千年不衰，万世不竭35引力波的探测引力波的探测科学家们为了寻找引力子和探测科学家们为了寻找引力子和探测引力波，兵分两路：引力波，兵分两路：l一路人马抓紧研究新的探测方法和一路人马抓紧研究新的探测方法和提高探测仪器的灵敏度提高探测仪器的灵敏度l另一路人马开始寻找能产生引力子另一路人马开始寻找能产生引力子的大源泉。的大源泉。引力波的探测科学家们为了寻找引力子和探测引力波，兵分两路：36引力波的探测引力波探测的原理很简单，无外乎时空波引力波探测的原理很简单，无外乎时空波动让物体位形发生改变。动让物体位形发生改变。困难：引力辐射的微弱困难：引力辐射的微弱对于最激烈的天体活动，引力波对探测器对于最激烈的天体活动，引力波对探测器的影响也很难超过背景噪声。的影响也很难超过背景噪声。引力波的两种偏振分量（引力波的两种偏振分量（+与与）对环形）对环形质量分布的影响。质量分布的影响。引力波的探测引力波探测的原理很简单，无外乎时空波动让物体位形37引力波的探测引力波的探测韦伯的尝试韦伯的尝试19581958年，马里兰大年，马里兰大学的美国人韦伯第学的美国人韦伯第一次开始探测引力一次开始探测引力波，他用巨大的铝波，他用巨大的铝筒和棒形天线进行筒和棒形天线进行探测。探测。引力波的探测韦伯的尝试1958年，马里兰大学的美国人韦伯第38引力波的探测引力波的探测韦伯的尝试韦伯的尝试韦伯探测装置韦伯探测装置共振质量探测器共振质量探测器 l原理：原理：类似于电磁波引起接收天线的共振一样，引类似于电磁波引起接收天线的共振一样，引力波也使与其相遇的物体以一定的方式发生震荡。力波也使与其相遇的物体以一定的方式发生震荡。l足够强的引力波作用在一个物体的圆形截面上，我足够强的引力波作用在一个物体的圆形截面上，我们将看到截面的上下左右不断拉长或压缩，从而使们将看到截面的上下左右不断拉长或压缩，从而使物体的截面在圆形和椭圆形之间来回变化。物体的截面在圆形和椭圆形之间来回变化。l探测设备是数个长探测设备是数个长2 2米、直径米、直径1 1米的实心铝棒，共振米的实心铝棒，共振频率频率1660 Hz1660 Hz（与坍缩星的引力辐射峰频吻合），（与坍缩星的引力辐射峰频吻合），用细索悬在真空室中。用细索悬在真空室中。引力波的探测韦伯的尝试韦伯探测装置共振质量探测器 39引力波的探测引力波的探测韦伯的尝试韦伯的尝试l如果入射波满足共振条件，形变可以被大大加如果入射波满足共振条件，形变可以被大大加强并超过背景噪声，棒上附属的压电晶体就会强并超过背景噪声，棒上附属的压电晶体就会探测到位移，并将其转换为电信号，传达给外探测到位移，并将其转换为电信号，传达给外电路。为了保证足够的共振时间，同时也为了电路。为了保证足够的共振时间，同时也为了降低系统噪声，棒的阻尼要比较小。降低系统噪声，棒的阻尼要比较小。l为了尽量排除干扰，韦伯的策略是，只有两个为了尽量排除干扰，韦伯的策略是，只有两个以上的金属棒同时收到超过背景噪声的信号时，以上的金属棒同时收到超过背景噪声的信号时，才将其作为确切结果记下。他在距离马里兰上才将其作为确切结果记下。他在距离马里兰上千公里的芝加哥设置了一个共振棒。千公里的芝加哥设置了一个共振棒。引力波的探测韦伯的尝试如果入射波满足共振条件，形变可以被大40引力波的探测引力波的探测韦伯的尝试韦伯的尝试19691969年韦伯在年韦伯在Physical Review Letters杂志杂志上发表了他的结果，宣称在上发表了他的结果，宣称在8181天内探测天内探测到了到了2424例几乎同时穿过了马里兰州和芝例几乎同时穿过了马里兰州和芝加哥的探测器的事件。加哥的探测器的事件。这样的事件，并说通过计算，最合理的解这样的事件，并说通过计算，最合理的解释是引力波。次年释是引力波。次年WeberWeber又公布了数百个又公布了数百个事件，并认为它们是来自银心的。震惊事件，并认为它们是来自银心的。震惊了物理学界。了物理学界。引力波的探测韦伯的尝试1969年韦伯在Physical R41引力波的探测引力波的探测韦伯实验结果的困惑韦伯实验结果的困惑没有其它任何一个小组能重复他的实验结没有其它任何一个小组能重复他的实验结果，其它类似的实验没有得到韦伯宣布的果，其它类似的实验没有得到韦伯宣布的信号信号韦伯宣称接收到的是来自银河系中心的引韦伯宣称接收到的是来自银河系中心的引力波，也就是说当时银河系中心应该发生力波，也就是说当时银河系中心应该发生十分激烈的天文事件，当时的天文观测资十分激烈的天文事件，当时的天文观测资料未见任何异常料未见任何异常韦伯探测到的韦伯探测到的“引力波引力波”的能量太大，令的能量太大，令人难以置信。人难以置信。引力波的探测韦伯实验结果的困惑没有其它任何一个小组能重复他42韦伯的实验至今已经被否定了，但他韦伯的实验至今已经被否定了，但他提出的探测方法和原理却是正确的。提出的探测方法和原理却是正确的。因为该探测器只对特定的，有大量背因为该探测器只对特定的，有大量背景噪音的引力波源敏感，其探测频带景噪音的引力波源敏感，其探测频带太窄。故而目前应用的不多。太窄。故而目前应用的不多。韦伯的实验至今已经被否定了，但他提出的探测方法和原理却是正确43引力波探测迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪1956-19721956-1972年，年，Pirani,WeberPirani,Weber和和Weiss Weiss 等先后等先后提出了用激光干涉仪探测引力波的设想。提出了用激光干涉仪探测引力波的设想。激光干涉引力波探测仪的主体是一台激光迈克激光干涉引力波探测仪的主体是一台激光迈克尔逊干涉仪。尔逊干涉仪。l在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两臂在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。l引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。强度成正比。引力波探测迈克尔逊干涉仪1956-1972年，Pirani44激光在两臂交点经过分束后分别进入两臂。通过在光路激光在两臂交点经过分束后分别进入两臂。通过在光路中设置延迟线路或共振腔，光子可以在臂两端悬挂的高中设置延迟线路或共振腔，光子可以在臂两端悬挂的高反射率反射镜之间往返多次，最后再回到交点，形成干反射率反射镜之间往返多次，最后再回到交点，形成干涉图样并为光子探测器接收。涉图样并为光子探测器接收。激光在两臂交点经过分束后分别进入两臂。通过在光路中设置延迟线45原理不很复杂，而且初步探讨也始于原理不很复杂，而且初步探讨也始于19601960年代。年代。早期的干涉仪式探测器臂长相对很短，如早期的干涉仪式探测器臂长相对很短，如19701970年代麻年代麻省理工学院建造的省理工学院建造的5 5米干涉仪、米干涉仪、19801980年格拉斯哥大学建年格拉斯哥大学建造的造的1010米干涉仪、米干涉仪、19831983年马克斯年马克斯普朗克研究所建造普朗克研究所建造的的3030米干涉仪等，中国也于米干涉仪等，中国也于19801980年代末在广州和北京年代末在广州和北京分别建造了分别建造了3 3米和米和0.50.5米干涉仪。米干涉仪。格拉斯哥大学的格拉斯哥大学的1010米干涉仪米干涉仪原理不很复杂，而且初步探讨也始于1960年代。格拉斯哥大学的46引力波的探测1970-19801970-1980年代，美国加州理工学院和麻省理年代，美国加州理工学院和麻省理工学院开始研制激光干涉仪；工学院开始研制激光干涉仪；19901990年代中期，年代中期，分别在华盛顿州的分别在华盛顿州的HanfordHanford和路易斯安娜州的和路易斯安娜州的LivingstonLivingston开始建造引力波探测站，并于开始建造引力波探测站，并于20032003年以来，相继建成臂长年以来，相继建成臂长4km4km、2km2km的激光干涉仪的激光干涉仪引力波探测仪共两套。引力波探测仪共两套。引力波的探测1970-1980年代，美国加州理工学院和麻省理47期间，意大利与法国合作建造臂长期间，意大利与法国合作建造臂长30003000米米的激光干涉引力波探测站的激光干涉引力波探测站Virgo,Virgo,德国与德国与英国合作建造臂长英国合作建造臂长600600米的激光干涉引力米的激光干涉引力波探测站波探测站GEO,GEO,日本建造臂长日本建造臂长300300米的激光米的激光干涉仪引力波探测站干涉仪引力波探测站TAMATAMA。激光干涉引力波探测仪的灵敏度比共振棒激光干涉引力波探测仪的灵敏度比共振棒高出高出3-43-4个量级，可探测的引力波源是共个量级，可探测的引力波源是共振棒的振棒的10109 9-10-101212倍！倍！期间，意大利与法国合作建造臂长3000米的激光干涉引力波探测48美国的引力波激光干涉观察台美国的引力波激光干涉观察台-LIGO项目开始于：项目开始于：19911991年秋，共投资：年秋，共投资：3.63.6亿美元亿美元两套干涉仪：两套干涉仪：hanfordwashingtonhanfordwashington livington livingtonlouisianalouisiana目的：目的：l同时工作：消除噪音；同时工作：消除噪音；灵敏度：灵敏度：l用于探测低频用于探测低频(10(10-4-4-10-10-1-1Hz)Hz)引力波，灵敏度引力波，灵敏度1010-21-21。它们能够从地球的震动以及电子噪音中分辨出来自它们能够从地球的震动以及电子噪音中分辨出来自宇宙的引力波。宇宙的引力波。自自20032003年收集数据，目前还没有任何发现年收集数据，目前还没有任何发现美国的引力波激光干涉观察台-LIGO项目开始于：1949美国的引力波激光干涉观察台美国的引力波激光干涉观察台-LIGOLIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）美国建造的引力波激光干涉观察台美国建造的引力波激光干涉观察台LIGOLIGO，臂长，臂长 4km2（垂直）。（垂直）。Hanford washington美国的引力波激光干涉观察台-LIGOLIGO（Las50美国的引力波激光干涉观察台美国的引力波激光干涉观察台-LIGOLivington,luoisana臂长2km2美国的引力波激光干涉观察台-LIGOLivingto51意大利VIRGO实验意大利Cascina臂长3公里2意大利VIRGO实验意大利Cascina52GEO600德国，汉诺威；密闭德国，汉诺威；密闭6060厘米厘米*600*600米的真空管米的真空管英德合作英德合作20022002年开始运作年开始运作GEO600德国，汉诺威；密闭60厘米*600米的真空管53TAMAlocated on Mitaka campus of NAOJ.日本东京附近臂长300米300m300mTAMAlocated on Mitaka campus o54300m vacuum duct300m vacuum ductMirror suspensionMirror suspension300m vacuum ductMirror suspens55日本的新项目：LCGTLCGT ProjectLarge Scale Gravitational Wave Telescope日本的新项目：LCGTLCGT Project56欧洲空间局的探测装置欧洲空间局的探测装置LISA欧洲空间局和美国航欧洲空间局和美国航天局正在进行一项雄天局正在进行一项雄心勃勃的计划，他们心勃勃的计划，他们打算在打算在20152015年前后，年前后，建立一个建立一个10001000倍地球倍地球大小的巨型探测系统。大小的巨型探测系统。此系统称为激光干涉此系统称为激光干涉空间天线（空间天线（LISALISA）。）。欧洲空间局的探测装置LISA欧洲空间局和美国航天局正在进57该系统由该系统由3 3对飞船组成，每对飞船至另两对飞船组成，每对飞船至另两对飞船的距离皆为对飞船的距离皆为500500万千米。万千米。他们将在地球后面以他们将在地球后面以夹角夹角6060度一起绕太阳度一起绕太阳运行。运行。它们相互间发出红外它们相互间发出红外激光，形成一条激光，形成一条500500万万千米长的干涉天线。千米长的干涉天线。该系统由3对飞船组成，每对飞船至另两对飞船的距离皆为500万58LISA code:The orbital kernel(3 Keplerian orbits)LISA code:The orbital kernel59探测面积大，所受外界干扰少探测面积大，所受外界干扰少灵敏度高，更易捕捉低频引力波信号。灵敏度高，更易捕捉低频引力波信号。前些实验给出的探测结果前些实验给出的探测结果不能令人满意，不能令人满意，物理学家对此寄予厚望物理学家对此寄予厚望探测面积大，所受外界干扰少前些实验给出的探测结果不能令人满意60问题与讨论问题与讨论什么是引力波？什么是引力波？爱因斯坦和牛顿对于引力的描述有什么不爱因斯坦和牛顿对于引力的描述有什么不同？同？简述你对于引力波的理解和认识。简述你对于引力波的理解和认识。问题与讨论什么是引力波？61