重力波

英文：(gravitationalwave)，台灣學界稱為重力波，英文中有時也寫作gravitywave；但更多場合中，gravitywave是留給地球科學與流體力學中另一種性質迥異的波動。關於萬有引力的本質是什麼，牛頓認為是一種即時超距作用，不需要傳遞的“信使”。愛因斯坦則認為是一種跟電磁波一樣的波動，稱為引力波。引力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞。引力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星系中輻射出來的現象。電荷被加速時會發出電磁輻射，同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。

現在，激光干涉重力波觀測台(ＬＩＧＯ)的物理學家正在努力搜索地球受一星際旅行者擠壓的信號。存在於地球周圍的重力波受到影響時，導致時空結構扭曲，從而使重力波表現出異常的拉伸和擠壓現象。近日參加美國科學促進會年會的科學家介紹了利用ＬＩＧＯ的初步研究結果：至今仍然沒有觀測到任何有關重力波的信號存在。

位於美國華盛頓和路易斯安那的價值３．６５億美元的兩個觀測台通過長達４千米的束管發射激光，以便於探測在愛因斯坦的廣義相對論中所預言的與重力波傳播密切相關的空間微小扭曲現象。激光束彼此之間呈直角。重力波可能使一個受到壓縮而使另一個被伸長，這就導致當光束集合在一起時形成微弱的閃光。

迄今為止，重力波研究並沒有出現在項目第一期計劃的四個實驗中。有關分析也只是涉及到重力波的種類探討。ＬＩＧＯ干涉儀能夠搜索一些老化的行星崩解時所發出的衝擊波，例如，兩個密度很大的行星相撞時會發出高頻波。其他的兩支研究隊伍，一個致力於研究電磁脈衝的周期性來源，另一個致力於早期宇宙留下的重力波背景，目前還沒有什麼明確的收穫。

從２０００年１０月開始運行以來，ＬＩＧＯ的科學家一直在努力減少噪音的影響--比如地震引起的振動和在路易斯安那伐木所帶來的噪音--一些會使機器搖動並且阻礙機器尋找重力波的微弱信號（科學，２００２年８月１６日）。ＬＩＧＯ的一位研究成員、麻省理工學院的物理學家瑞那·威斯認為，這些問題很快就能夠解決。他說:"現在我們距預定的靈敏度還有一定距離。雖然我們沒有達到理想狀態，但是我們是處在射程範圍之內的。"

不可壓縮流體中一種以重力為恢復力的波。它通常存在於兩種不同流體（例如氣體和液體）的分界面（即密度的躍變面）上，以表面波形式出現：沿表面傳播而沿與表面垂直的方向衰減（所謂不均勻波）。透入表面的深度不超過一個波長，由於這一深度依賴于波長，便導致波的頻散。但在流體深度h 遠小于波長的“長波”極限情況下，波壓在整個截面上近似為均勻的，波就是“非頻散”的了。

不可壓縮流體中的速度勢Φ 滿足拉普拉斯方程

與自由表面上的邊界條件

重力波

結合起來，便可很好地近似描述重力波的行為。式中g是重力加速度。

重力波的波速 с和其波數 k之間的頻散關係可寫成

式中σ為表面張力係數,ρ為密度。其中第二項僅當波長極短(數量級為幾厘米)時方須考慮。在長波極限( )和深水極限( )下，分別化為

由此可見，重力波速度一般都遠小於聲速сS,僅當千米時才接近於聲速。

重力波的衰減主要由三方面引起：流體與基底的摩擦（當h很大時可忽略）；流體內部的粘滯效應；表面損耗。表面損耗的機制與表面張力偏離其平衡態值有關，它在流體表面有一層薄膜雜質（例如水面上的油污）時特別重要。

除了上述的表面重力波以外，還存在一種內重力波(簡稱內波)。它不是存在於兩種不同媒質的分界面上，而是存在於內部密度的連續分層變化的同一種媒質中，這種情況的一個典型是處於重力場的連續媒質（如大氣）。

大氣密度隨高度z指數性地減小：

其中H稱為勻質大氣高度，一般為z的函數，量級約為10千米。當穩定大氣受到某種擾動，使其上層較輕的空氣被

壓向下層較重的空氣中去時，這部分空氣將受到浮力的作用返回其原來水平面。由此可見，密度的分層不均勻性在彈性恢復力之外提供了另一種恢復力──浮力。對於波長H 的聲波和高頻段的次聲波來說，這種恢復力實際上不起作用，完全可以忽略。當時，由於波動運動的加速度與重力加速度g同數量級，就必須在考慮彈性恢復力的同時也考慮浮力，這就是聲重力波的情形。當頻率低到時，重力就起主要作用，而彈性恢復力反而可以忽略，也就是說可把媒質看成不可壓縮的，而重力和浮力所作的功之差值作為媒質運動元的勢能儲存起來，這就是內重力波的情形。由於作為恢復力的重力總是指向一個特定方向，所以內重力波是顯著地各向異性的。

空氣粒子在浮力作用下以韋伊塞萊-布倫特(Vis-l-brunt)頻率（V.B.頻率）

振蕩。典型的N值約在0.02赫附近。內重力波的頻率一般都遠低於N，其振動方向接近於水平的，但對水平的傾斜又使重力給空氣粒子提供恢復力。

內重力波的一個重要特性是：能流方向一般說來並不沿著波矢方向，其相速度（小於聲速сS）向下，而群速度向上。這種波大抵是在地面附近由於風的作用被激發，例如風遇到山等障礙物時所產生的“背風波”。其能流向上傳遞直達電離層。由於密度隨高度減小，根據能流的連續性，波的振幅勢必隨高度增加。在60千米以上的高空，風的剖面幾乎完全由這種大振幅、長周期的波動所支配；在低層大氣中，內重力波雖然也存在，但振幅太小，因而無法接受到。

有關在海水中密度分層變化時出現的內波見海洋中的內波。

參考書目

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E.E.Gossard and W.H.Hooke,Waυes in the Atmosphere, Elsevier, Amsterdam, 1975.

2.http://it.sohu.com/20080715/n258150289.shtml

實驗室場景一

樸素的檯面和擦亮的鏡子懸掛試驗架上，就像試驗台上的一個鐘擺。雖然此鏡子可以透過可見光，但反射的幾乎是干涉儀中激光發出的近100%的紅外光。此干涉儀是包含有激光的一種儀器，利用紅外線激光束髮出的光線，能非常精確地測量距離。此激光束越長，此干涉儀就越靈敏。當特彆強大的重力波經過此干涉儀時，它將會因時空扭曲而稍微改變此儀器的長度。

實驗室場景二

俯視美國加利福尼亞理工學院干涉儀的頂上，可以看到一個“L”形裝置，其每一條胳膊都包含有一個可以延伸40米的激光束。這些不鏽鋼室被抽空只剩下大約十億分之一的大氣，為激光束創造了一個非常重大且必要的真空環境。

這類似於華盛頓州和路易斯安那州的干涉儀樣機，只是比較小一點。後者的胳膊可以測量4公里處的數據。這二處類似的裝置讓科學家來證實異常探測確實是重力波路過，而不是汽車經過此實驗室。

實驗室場景三

在此真空室中，激光束分裂器位於此干涉儀2條胳膊的交叉處，即“L”形的拐點上。此工作台是由一系列鏡子、過濾器和其它光學裝置構成。從這裡看，此紅外線激光束被輸送到了此系統的每一條胳膊深處。每一束激光被用來校準同樣的極端精確的回聲。如果一束激光碰到了任何干涉，另一束激光就能測量到它。

探測重力波的問題是它們作用地球的效果變化特別小。由遙遠事件產生的強大重力波等到它們到達地球時已經相當微弱了。正因為如此，用於探測重力波的儀器得特別精確和精細。圖片左邊是此干涉儀一條胳膊的一個終端，包含4面主鏡中的一面，和各種各樣的較小鏡子在一起。這些鏡子被用來校準和排列此激光。此主鏡將激光束反射回“L”形的拐點上，以進行測量。

實驗室場景五

此激光（在分裂之前）起源於右圖上的白色管子中。這些管子里含有精心製作的精密儀器，用於探測儘可能多的信號噪音。此實驗室中工作的噪音校正技術令人難以置信，它們具有一層層的隔離保護。此激光束來自一個20厘米的石英管中，此石英管懸掛在鐘擺上。鐘擺本身具有彈簧、地震隔離堆和真空室。

此懸浮的圓柱中前後回彈的光子以干涉儀運轉的精確波長引起共鳴。任何頻率的變化或此激光束長度的偏移會導致此真空室不會出現共鳴現象，從而能被此系統測量出來。

實驗室場景六

此干涉儀一條胳膊未端的一個光學檯面被用於監測激光束的強度、位置和角度。

實驗室場景七

此光學檯面用於感知來自此干涉儀胳膊交叉點上不同出口的光線，在這裡有一天會探測到重力波的。為實現這一目標，它的上面覆蓋有激光干涉重力波觀測台建造的感測器。

實驗室場景八

中心的3個盒子是象限光電二極體(QPDs)，用於探測激光束的位置。

實驗室場景九

激光干涉重力波觀測台樣機干涉儀需要大約十億分之一大氣的特別真空的環境，相當於低地球軌道運行中所發現的真空水平。為了達到此極度真空的狀態，得配備一個自由振動的磁懸浮的渦輪泵才行。這裡所拍攝的圖片是真空歧管和遠程控制閥，可幫助驅動此真空。

實驗室場景十

這些充氣風箱讓干涉儀胳膊長度可以被用於調節來彌補此不鏽鋼的溫度膨脹變化。如果沒有這些風箱，當周圍溫度每一次變化時，高真空室將會被扯下來，拖拉到地板上。

實驗室場景十一

愛因斯坦是物理學教授，利用其高能物理學知識來研究暗能量的屬性，並探測重力波。維斯已經管理激光干涉重力波觀測台原型實驗室已經20年了。伍德是一位研究生，曾研究過量子強化原型重力波探測器。