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引力波的探测经历

爱因斯坦于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，这就间接地证明引力波携带着能量，并可被探测到.

长期以来科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波，并通过对射电脉冲双星PSR1913⁺¹⁶公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在，但迄今直接测量引力波的实验尚未成功.根据广义相对论，当物体做加速运动时就会对原有的引力场产生干扰从而辐射出引力波，这就好像将一块石头扔到平静的水面上出现的波纹一样.因此任何物体都在无时无刻地辐射引力波，它在宇宙中是无处不在的.例如，地球绕着太阳运行就一定会发出引力波.地球由此而丧失能量，因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢.使原子保持为一个整体的电磁力要比引力强1000万亿亿亿亿（即10³⁹）倍.我们之所以感受到引力，惟一的原因乃是地球极其巨大，组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相当可观了.但是，引力波是自然界中最微弱、最不易察觉的波，它不会产生我们通常能察觉到的任何效应.例如，地球绕太阳公转时辐射引力波而丧失的能量只有大约0.001瓦，因而在几十亿年中，它向太阳靠拢的距离简直微不足道.而假如500亿颗直径为1公里的速度撞向地球，所产生的引力波能量也仅能点亮一只灯波.不过没有人能活着看到这个结果.爱因斯坦的广义相对论预言：引力波（也称重力波）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.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PSR1913+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.

1982年，他们又进一步发展了减小误差后的结果.不过，人们还希望利用多普勒跟踪法或激光测距法观测两天体在引力波作用下间距的变化来直接探测引力波.现在，美国航天局和欧洲航天局正在加速这方面的研究，并使测距精度大大提高(例如地球和月亮的距差为±5厘米)，其灵敏度Δl／l已达10^－13～10^－16，即便如此，还需把精度提高四个数量级才有可能探测到引力波.为此，欧美曾计划在1985年发射两艘深空间飞船（伽利略号和国际太阳极任务号），届时可望将测量精度提高到10^－20.一旦引力波探测工作取得成功，就可以进而研究引力波的性质，从而就会判明那种度规理论对宏观引力现象的描述更符合客观事实.