[理学]4、引力波问题.docVIP

4、引力波Einstein引力场方程的弱场近似解导出，把弱场情况下的引力场势函数简化为一个二阶齐次偏微分方程，这个方程与电磁波方程在数学上完全相同，所以引力场的运动也是波动，其解也是普通的平面波方程，引力波是横波，速度等于光速。 广义相对论的弱场辐射解具有如下的特点：在真空中以光速传播的横波没有偶极辐射，只有四极或更高级的辐射，它携带有能量，穿透能力极强等等。从物理图像上看，弱场近似下的辐射解毕竟是值得注意的，一方面，任何可观测到的引力辐射的强度都非常低，另一方面，弱场近似下的引力辐射理论，有可能沟通广义相对论同微观物理学之间的鸿沟，赋予引力学概念以确切的含义。 从50年代末到70年代初，广义相对论经典理论的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的进展。对于广义相对论是否存在引力波的问题一直争论不休，因为人们当时搞不清广义相对论中的引力波会不会仅仅是一种坐标效应，这在很大程度上是对广义相对性原理的不恰当的理解而引起的。直到50年代末，同坐标选取无关的引力辐射理论才开始形成，随后，科学家求出了 Einstein真空场方程的一种以光速传播的平面波前、平行射线的严格的波动解，并证明了检验粒子在引力波作用下会产生运动，从而表明了引力波携带着能量，不过，由于 Einstein方程是非线性的，有关引力波的一些理论问题仍有待继续澄清。60年代初，人们弄清了在理论上的确存在引力波。引力波可以看作是以光速传播的力场，它和电磁波在许多方面类似，和坐标系的选择毫无关系。由于引力波与物质的相互作用十分微弱，这给探测引力波的工作带来了很大的困难，用实验方法产生引力波的困难尤为严重。 （二）引力波的探测经历 美国马里兰大学韦伯(J．Weber)教授于1958年开始进行引力波的实验，经过10余年的努力，曾宣布检测到来自银河系中心的引力波，但结果不十分可靠，目前尚无定论。 70年代末，J.H.泰勒等人公布了对射电脉冲双星 PSR 1913+16公转周期变短的长期观测的结果。泰勒等人认为，这种效应是由于引力辐射不断带走能量所引起的，他们的结果在20％的误差范围内同引力辐射的理论计算一致。?1978年泰勒等人通过对一颗射电脉冲双星（PSR193＋6）轨道周期所作的多年观测，间接证实了引力波的存在。这也是对广义相对论的重要验证。2007年是脉冲星发现40周年，期间诺贝尔物理学奖曾两次光顾脉冲星的发现，其原因何在？爱因斯坦关于引力波的预言是如何被验证？脉冲星发现者的举世成就和诺贝尔奖的是非恩怨再次成为关注话题。 1、发现脉冲星 ? 1967年8月，剑桥射电天文台的女研究生贝尔(Jocelyn Bell)在纷乱的记录纸带上察觉到一个奇怪的“干扰”信号，经多次反复钻研，她成功地认证：每隔1.33秒地球接受到一个脉冲的源（之后被命名为 PSR 1919+21）。得知这一惊人消息，她的导师休伊什(Antony Hewish) 曾怀疑这可能是外星人――“小绿人”――发出的摩尔斯电码。但是，进一步的观测表明，这个天体发出脉冲的频率精确得令人难以置信。接下来，贝尔又找出了另外3个类似的源，所以排除了外星人信号，因为不可能有三个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射信号。再经过认真仔细研究，1968年2月，贝尔和休伊什联名在英国《自然》杂志上报告了脉冲星的发现，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的中子星（也许是夸克星）。这是20世纪的一个重大发现，为天文学研究开辟了新的领域，而且对现代物理学的发展产生了深远影响，成为1960年代天文学的四大发现之一（另三个发现：星际分子，类星体，微波背景辐射）。 ?? 2、脉冲星发现的意义 经过40年的努力，天文学家已发现大约1900颗脉冲星。人们已基本清楚，脉冲星是高密度星体，其主要成分是中子（但部分脉冲星也许是夸克星，有待进一步证实），半径大约10公里，其密度相当于将整个太阳压缩到北京市区的范围，因此具有超强的引力场。乒乓球大小的中子星物质相当于地球上一座山的重量。脉冲星磁场是地球的万亿倍（地磁场约10-4特）。脉冲星的强引力场可用来验证爱因斯坦广义相对论，其超高密度用来验证核物理理论。所以，脉冲星被誉为物理学的“空间实验室”。天文学家认为，脉冲星是超新星爆发后留下的残余部分。在蟹状星云内发现的脉冲星PSRO531-21，周期只有0.0333秒，而它的遗迹早在宋朝（公元1054年）就被我国古代的天文学家记录，这也是人类历史上第一次记录的一颗恒星的演化史。在恒星塌缩的过程中，它所包含的物质挤压在一起，密度越来越大，由于角动量守恒，星体会越转越快。这与花样滑冰运动员两臂在向内收紧时，也会越转越快的道理相同。有些脉冲星旋转快得惊人，而且高度稳定。最近已发现每