| 词条 | 重力波 |
| 释义 | 重力波gravity wave是留给地球科学与流体力学中另一种性质迥异的波动。关于万有引力的本质是什么，牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。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，这是广义相对论的一项重要预言。 简介英文：(gravitational wave)，台湾学界称为重力波，英文中有时也写作 gravity wave；但更多场合中， 现在，激光干涉重力波观测台(LIGO)的物理学家正在努力搜索地球受一星际旅行者挤压的信号。存在于地球周围的重力波受到影响时，导致时空结构扭曲，从而使重力波表现出异常的拉伸和挤压现象。近日参加美国科学促进会年会的科学家介绍了利用LIGO的初步研究结果：至今仍然没有观测到任何有关重力波的信号存在。 位于美国华盛顿和路易斯安那的价值3．65亿美元的两个观测台通过长达4千米的束管发射激光，以便于探测在爱因斯坦的广义相对论中所预言的与重力波传播密切相关的空间微小扭曲现象。激光束彼此之间呈直角。重力波可能使一个受到压缩而使另一个被伸长，这就导致当光束集合在一起时形成微弱的闪光。 迄今为止，重力波研究并没有出现在项目第一期计划的四个实验中。有关分析也只是涉及到重力波的种类探讨。LIGO干涉仪能够搜索一些老化的行星崩解时所发出的冲击波，例如，两个密度很大的行星相撞时会发出高频波。其他的两支研究队伍，一个致力于研究电磁脉冲的周期性来源，另一个致力于早期宇宙留下的重力波背景，目前还没有什么明确的收获。 从2000年10月开始运行以来，LIGO的科学家一直在努力减少噪音的影响--比如地震引起的振动和在路易斯安那伐木所带来的噪音--一些会使机器摇动并且阻碍机器寻找重力波的微弱信号（科学，2002年8月16日）。LIGO的一位研究成员、麻省理工学院的物理学家瑞那·威斯认为，这些问题很快就能够解决。他说:"现在我们距预定的灵敏度还有一定距离。虽然我们没有达到理想状态，但是我们是处在射程范围之内的。" 关于重力波的试验实验室场景一朴素的台面和擦亮的镜子悬挂试验架上，就像试验台上的一个钟摆。虽然此镜子可以透过可见光，但反射的几乎是干涉仪中激光发出的近100%的红外光。此干涉仪是包含有激光的一种仪器，利用红外线激光束发出的光线，能非常精确地测量距离。此激光束越长，此干涉仪就越灵敏。当特别强大的重力波经过此干涉仪时，它将会因时空扭曲而稍微改变此仪器的长度。 实验室场景二俯视美国加利福尼亚理工学院干涉仪的顶上，可以看到一个“L”形装置，其每一条胳膊都包含有一个可以延伸40米的激光束。这些不锈钢室被抽空只剩下大约十亿分之一的大气，为激光束创造了一个非常重大且必要的真空环境。 这类似于华盛顿州和路易斯安那州的干涉仪样机，只是比较小一点。后者的胳膊可以测量4公里处的数据。这二处类似的装置让科学家来证实异常探测确实是重力波路过，而不是汽车经过此实验室。 实验室场景三在此真空室中，激光束分裂器位于此干涉仪2条胳膊的交叉处，即“L”形的拐点上。此工作台是由一系列镜子、过滤器和其它光学装置构成。从这里看，此红外线激光束被输送到了此系统的每一条胳膊深处。每一束激光被用来校准同样的极端精确的回声。如果一束激光碰到了任何干涉，另一束激光就能测量到它。 探测重力波的问题是它们作用地球的效果变化特别小。由遥远事件产生的强大重力波等到它们到达地球时已经相当微弱了。正因为如此，用于探测重力波的仪器得特别精确和精细。图片左边是此干涉仪一条胳膊的一个终端，包含4面主镜中的一面，和各种各样的较小镜子在一起。这些镜子被用来校准和排列此激光。此主镜将激光束反射回“L”形的拐点上，以进行测量。 实验室场景四此激光（在分裂之前）起源于右图上的白色管子中。这些管子里含有精心制作的精密仪器，用于探测尽可能多的信号噪音。此实验室中工作的噪音校正技术令人难以置信，它们具有一层层的隔离保护。此激光束来自一个20厘米的石英管中，此石英管悬挂在钟摆上。钟摆本身具有弹簧、地震隔离堆和真空室。 此悬浮的圆柱中前后回弹的光子以干涉仪运转的精确波长引起共鸣。任何频率的变化或此激光束长度的偏移会导致此真空室不会出现共鸣现象，从而能被此系统测量出来。 实验室场景五此干涉仪一条胳膊未端的一个光学台面被用于监测激光束的强度、位置和角度。 实验室场景六此光学台面用于感知来自此干涉仪胳膊交叉点上不同出口的光线，在这里有一天会探测到重力波的。为实现这一目标，它的上面覆盖有激光干涉重力波观测台建造的传感器。 实验室场景七中心的3个盒子是象限光电二极管(QPDs)，用于探测激光束的位置。 实验室场景八激光干涉重力波观测台样机干涉仪需要大约十亿分之一大气的特别真空的环境，相当于低地球轨道运行中所发现的真空水平。为了达到此极度真空的状态，得配备一个自由振动的磁悬浮的涡轮泵才行。这里所拍摄的图片是真空歧管和远程控制阀，可帮助驱动此真空。 实验室场景九这些充气风箱让干涉仪胳膊长度可以被用于调节来弥补此不锈钢的温度膨胀变化。如果没有这些风箱，当周围温度每一次变化时，高真空室将会被扯下来，拖拉到地板上。 实验室场景十爱因斯坦是物理学教授，利用其高能物理学知识来研究暗能量的属性，并探测重力波。维斯已经管理激光干涉重力波观测台原型实验室已经20年了。伍德是一位研究生，曾研究过量子强化原型重力波探测器。 推导过程不可压缩流体中一种以重力为恢复力的波。它通常存在于两种不同流体（例如气体和液体）的分界面（即密度的跃变面）上，以表面波形式出现：沿表面传播而沿与表面垂直的方向衰减（所谓不均匀波）。透入表面的深度不超过一个波长,由于这一深度依赖于波长,便导致波的频散。但在流体深度h 远小于波长的“长波”极限情况下,波压在整个截面上近似为均匀的,波就是“非频散”的了。 不可压缩流体中的速度势Φ 满足拉普拉斯方程 与自由表面上的边界条件 结合起来,便可很好地近似描述重力波的行为。式中g是重力加速度。 重力波的波速 с和其波数 k之间的频散关系可写成 式中σ为表面张力系数,ρ为密度。其中第二项仅当波长极短(数量级为几厘米)时方须考虑。在长波极限(k h1)和深水极限(k h1)下，分别化为 由此可见,重力波速度一般都远小于声速сS,仅当h≈200千米时才接近于声速。 重力波的衰减主要由三方面引起：流体与基底的摩擦（当h很大时可忽略）；流体内部的粘滞效应;表面损耗。表面损耗的机制与表面张力偏离其平衡态值有关,它在流体表面有一层薄膜杂质（例如水面上的油污）时特别重要。 除了上述的表面重力波以外，还存在一种内重力波(简称内波)。它不是存在于两种不同媒质的分界面上,而是存在于内部密度的连续分层变化的同一种媒质中，这种情况的一个典型是处于重力场的连续媒质（如大气）。 大气密度随高度z指数性地减小： 其中H称为匀质大气高度,一般为z的函数,量级约为10千米。当稳定大气受到某种扰动，使其上层较轻的空气被压向下层较重的空气中去时，这部分空气将受到浮力的作用返回其原来水平面。由此可见，密度的分层不均匀性在弹性恢复力之外提供了另一种恢复力──浮力。对于波长H 的声波和高频段的次声波来说,这种恢复力实际上不起作用，完全可以忽略。当λ≈H 时,由于波动运动的加速度与重力加速度g同数量级,就必须在考虑弹性恢复力的同时也考虑浮力,这就是声重力波的情形。当频率低到λH 时，重力就起主要作用,而弹性恢复力反而可以忽略，也就是说可把媒质看成不可压缩的，而重力和浮力所作的功之差值作为媒质运动元的势能储存起来，这就是内重力波的情形。由于作为恢复力的重力总是指向一个特定方向，所以内重力波是显著地各向异性的。 空气粒子在浮力作用下以韦伊塞莱-布伦特(V?is?-l?-Brunt)频率（V.B.频率） 振荡。典型的N值约在0.02赫附近。内重力波的频率一般都远低于N，其振动方向接近于水平的,但对水平的倾斜又使重力给空气粒子提供恢复力。 内重力波的一个重要特性是：能流方向一般说来并不沿着波矢方向，其相速度（小于声速сS）向下，而群速度向上。这种波大抵是在地面附近由于风的作用被激发，例如风遇到山等障碍物时所产生的“背风波”。其能流向上传递直达电离层。由于密度随高度减小，根据能流的连续性，波的振幅势必随高度增加。在60千米以上的高空，风的剖面几乎完全由这种大振幅、长周期的波动所支配；在低层大气中，内重力波虽然也存在，但振幅太小，因而无法接受到。 有关在海水中密度分层变化时出现的内波见海洋中的内波。 参考书目Л.Д.朗道、Ε.М.栗弗席兹著，彭旭麟译：《连续介质力学》，第2册，高等教育出版社，北京，1960。 J. Lighthill,Waves in Fluids, Cambridge Univ. Press,Cambridge, 1978. E.E.Gossard and W.H.Hooke,Waυes in the Atmosphere, Elsevier, Amsterdam, 1975. |
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