为什么引力与重力方向不同?地球上的重力于引力方向不相同这是为什么

为什么引力与重力方向不同?地球上的重力于引力方向不相同这是为什么
为什么引力与重力方向不同?
地球上的重力于引力方向不相同这是为什么

为什么引力与重力方向不同?地球上的重力于引力方向不相同这是为什么
携带能量和与波源有关的信息；是横波,在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低,引力波穿透性极强,地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等.法意合建的引力波探测器刚刚完工,将在2004年正式启用.强有力的证据显示,引力波不仅是爱因斯坦的假设,这种证据来自对中子星的观察.甚至爱因斯坦都认为引力波可能永远也探测不到,要观测到引力波从技术上来说困难是无以复加的.如果把世界上所有探测器的成本加起来,捕捉引力波的代价无疑是天文数字.

在“广义相对论”发表近90年之后的今天,这种神秘莫测的波终于有可能向我们展示真面目.现在对引力波的研究方兴未艾,反引力或称反重力研究又提上了日程,这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想,科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华.
■名词解释
引力波
引力波也称重力波.早在1916年,爱因斯坦在提出“广义相对论”时就预言了引力波的存在.但只有宇宙中体积极大、密度极高的物体——例如超新星、塌缩的黑洞和中子星——释放出的引力波才能被探测到：某个超新星短暂地爆发出像数十亿个恒星组成的星系一样明亮的光芒,随后其碎片纷纷射向宇宙深处.但它的影响远远不止这些.超新星会令时空结构发生震颤,并波及到数百万光年以外的地方.这种现象被称为引力波.
中子星
中子星是巨星爆炸的产物,它们由中子构成,通常全部物质都压缩在像一座城市那么大的空间里.有些中子星自转速度极快,间歇性地释放出无线电波,天文学家可以利用无线电望远镜识别这些电波.
人们还不能直接探测到引力波,因为它的破坏性能量在广阔无垠的宇宙空间中被大大“稀释”了.如果你能靠近一个超新星,引力波就会把你和周围的一切撕成碎片.但等引力波到达地球时,它只能令时空产生最轻微的波动.
广义相对论预言存在引力波
在“广义相对论”发表近90年之后的今天,这种神秘莫测的波终于有可能向我们一展真面目.过去几年里,天文学家在美国、日本和德国设置了探测器,最近又在意大利距离比萨市12公里的地方设置了一个.这座法意合建的探测器名为“Virgo”,刚刚完工,将在2004年正式启用.这是一项大工程,而且耗资不菲.“Virgo”有一条长3公里的隧道,位于意大利比萨市的郊区,而隧道只是“Virgo”的部件之一.在日本国立天文台内,也有一条直角边长为300米的等腰直角三角形的隧道,一台名为“TAMA300”的激光干涉仪型的引力波检测装置不久前开始运转,这是世界上率先搜寻引力波的努力之一.
引力波也称重力波.早在1916年,爱因斯坦在提出“广义相对论”时就预言了引力波的存在.相对论认为时间和空间是不可分割的.我们不能再把三维空间与滴答作响的时钟分别对待,它们其实都是时空结构的组成部分.但广义相对论的一个推论还有待证实：如果一个物体突然运动,它应该以引力波的形式释放能量,就像铃铛摇动时会响一样.在理论上这适用于所有物体,包括人类.但只有宇宙中体积极大、密度极高的物体———例如超新星、塌缩的黑洞和中子星———释放出的引力波才能被探测到：某个超新星短暂地爆发出像数十亿个恒星组成的星系一样明亮的光芒,随后其碎片纷纷射向宇宙深处.但它的影响远远不止这些.超新星会令时空结构发生震颤,并波及到数百万光年以外的地方.这种现象被称为引力波,天文学家们都努力地想第一个证明它的存在,他们可能最终带领我们一路追溯到宇宙大爆炸的源头.所有理论都需要证据支持,但寻找证据非常困难.人们还不能直接探测到引力波,因为它的破坏性能量在广阔无垠的宇宙空间中被大大“稀释”了.如果你能靠近一个超新星,引力波就会把你和周围的一切撕成碎片.但等引力波到达地球时,它只能令时空产生最轻微的波动.要观测到引力波从技术上来说困难是无以复加的,无异于测量银河的宽度并把结果的误差保持在3厘米之内.因此甚至爱因斯坦都认为引力波可能永远也探测不出来.
引力波的确存在
建设“Virgo”历时6年,费用约为5500万英镑.如果把世界上所有探测器的成本加起来,捕捉引力波的代价无疑是天文数字.幸亏没有人认为这项工作会徒劳无功.强有力的证据显示,引力波不仅是爱因斯坦的假设.这种证据来自对中子星的观察.中子星是巨星爆炸的产物,它们由中子构成,通常全部物质都压缩在像一座城市那么大的空间里.有些中子星自转速度极快,间歇性地释放出无线电波,天文学家可以利用无线电望远镜识别这些电波.这种中子星被称为脉冲星.1974年,美国物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯第一次发现了一对脉冲双星.他们发现这两个天体的亲密环绕正变得越来越接近.尽管变化的幅度很小（大约每年只靠近1厘米）,但它的意义却非同小可.这意味着两个天体正在损失能量,而且这种轨道变化与相对论的预测完全吻合.泰勒和赫尔斯认为能量正在以引力波的形式释放,这一发现使他们获得了1993年的诺贝尔奖.
“Virgo”和其他新建的引力波探测器一样,都是一种大型的激光干涉仪,专门利用引力波的特性来捕捉它.这种特性是：引力波令时空沿一个方向轴拉伸,沿与其垂直的另一个方向轴压缩.人们可以通过持续测量这两个方向上的距离,发现某一时刻出现在两个方向上的距离拉伸与压缩.就像所有的大型魔术一样,科学家们也利用镜子来做到这一点.从激光器发射的光线通过一个分裂器,分裂器把光束分别传送到L形连接的两个管道里,形成垂直角度.每个管道尽头挂有一面镜子,把两条光束反射回去,在交点汇合.人们特意改变了两道光的波长,这样它们反射回来时正好能互相抵消.这里设置有一个记录光线的光电二极管,平时它不会显示有光出现.但如果有引力波经过,两束光的传播距离会出现差异.那么当两束光交汇时,波形就不会完全干涉,从而导致发光.
“Virgo”的技术规格之高令人叹为观止.镜子表面非常光滑,凸凹幅度小于百分之一微米（1微米等于百万分之一米）.而且它们对光的反射率达99.999％.激光器也非同寻常,因为它制造的光束是迄今最稳定的.那么,“Virgo”观测到引力波的可能性有多大呢?加的夫大学的班哥拉·沙塔普拉卡什教授说：“我们预计每年会有一到两次双黑洞合并的现象.这些预测是在不确定的理论基础上做出来的,因此几率可能更低.所以如果我们在三四年内什么都没有看到也是不足为奇的.”在此之后,就是对爱因斯坦理论真实性的检验了.人们计划对“Virgo”和其他引力波探测器进行升级,因此到2010年它们的灵敏度会提高10倍.这可以令观测范围扩大1000倍,在这么大的区域里,每年,也许是每天,都应该有形成引力波的天体活动.如果人们仍然一无所获,那将对天文物理学产生重大影响.沙塔普拉卡什说：“如果还不能发现引力波,我们将不得不开始怀疑天文物理学家的某些基础模型是否正确,例如双星系统是如何形成的.”
反重力研究再入科学家视线
爱因斯坦的广义相对论预言：引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波,在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低,引力波穿透性极强,地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等.引力波是波动形式和有限速度传播的引力场.
爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在,但他提出的引力波与坐标的选取有关,在某一个参考系看来,引力波可能有能量,而换一个参考系可能就没有.因此在提出引力波存在的初期,包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度.1956年,皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年,邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在.1959年,邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明,静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动,于是间接地证明引力波携带能量,并可被探测到.由于引力辐射极其微弱,目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波,而大质量天体的激烈运动,比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发,理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程,都能辐射较强的引力波.