【引力波检测】
拼译：graavitational waves detection
研究这一项目具有重要的意义：(1)对现有引力理论提供一个重要的检验，深化人类对引力本质的认识；(2)以引力波检测器为观测工具的引力波天文台，将开辟人类观测宇宙的新窗口；(3)引力波检测研究将促进精密测量技术，特别是量子检测技术的发展。
1916年，爱因斯坦根据引力场方程的解，预言了引力波的存在。1918年，又给出引力辐射公式指出：辐射功率依赖于运动体系质量四极矩对时间的三次微商，并得出引力波传播速度和偏振特性，从而奠定了引力波理论的基础。在此之后的其它引力理论也预言了引力波的存在，但给出不尽相同的性质。从广义相对论观点看，引力波是变化着的四维时空曲率的传播。空间任意两点间的间隔，将因引力波的作用而变化。在局部罗仑兹(Lonentz)框架中，检测空间两点因引力波作用而产生的距离变化，是检测引力波的基本依据。这个距离变化极之微小(相对变化ΔL／L～10－20量级)，因而要求引力波检测器有极高的灵敏度。20世纪60年代，美国J．Weber首先进行引力波实验检测。他用以接收引力波信号的天线是一根长153cm，重1．4×103kg的圆柱形铝棒。1969年，他发表的检测结果是：在相距1000km的马里兰(Maryland)大学和亚贡(Argonne)国家实验室的两座天线，多次检测到来自银河中心的引力波符合信号。Weber的结果，未能为其它实验组所证实，但他的检测引力波的方法(称为共振质量检测法)包括远距离信号符合的方法，仍然是现代引力波检测的基础。1976年，R．P．Giffard指出：共振质量引力波检测器的灵敏度，取决于检测系统的噪声，系统噪声与天线的工作温度和材料损耗、换能器和前置放大器的阻抗匹配以及前置放大器的噪声有关，并指出提高这类引力波检测灵敏度的方向。被称为第三代共振质量检测器(超低温检测器)，如美国Stanford大学和意大利Rome大学的5t天线，工作温度已降低至100mK。换能器也发展了超导换能器、多模宽带换能器和参数换能器等，在增宽接收频带，提高灵敏度方面有了很大的进展。Giffard还指出：放大器噪声将最终限制引力波检测器的灵敏度。具有极低噪声的超导量子干涉器(SQUID)已被普遍采用，其噪声已接近量子极限。1971年，G．E．Moss等人在美国休斯(Hughes)实验室发展了另一种类型的引力波检测器——激光干涉型引力波检测器。干涉仪光臂两端的反射镜(以及附属质量)构成自由质量引力波检测器，这种检测器本质上是宽带的，由于地面振动的干扰，目前的检测频率下限约为100Hz量级。激光检测器的主要噪声是光源的散粒噪声，增加入射光功率可减低这种噪声。从信号接收方面看，检测器接收灵敏度与有效光臂长L成正比，对于来自超新星事件的引力波，最佳有效臂长为
(λg为引力波波长)。
。20世纪80年代初，德国马克斯－普朗光量子光学研究所的激光检测器，使光在反射镜间往复反射以增加有效臂长，在30m几何光臂间实现反射102次，使有效臂长达3km。由于反射光不能重叠，故要有较大的反射镜直径。美国格拉斯哥(Glasgow)大学研究组发展了另一种方法，调节两反射镜使成一光学谐振腔(Fabry perot腔)。等效臂长取决于光腔的损耗，他们在10m几何光臂上使有效臂长达30km。几何臂长达数千米的检测器已在美国、意大利和德国开始兴建，分别使用多次反射或谐振腔技术，使等效臂长达150km。这些大尺度激光检测器预计于20世纪末建成，检测频率下限达10Hz，灵敏度达10－22量级，实际上将成为引力波观测天文台。mK温度的共振质量检测器的灵敏度，也将达10－20水平。灵敏度进一步提高将受到测不准关系的限制。或者说，已达到测量的量子极限(在此情况下，重达数吨的天线棒，其行为类似于一个自由电子)。进一步提高检测灵敏度的努力，将导致一个新的检测领域——量子及亚量子测量领域的诞生。一种称为“量子非破损检测”(Quantum Nondemolition Detection)的理论已被提出，在激光检测方面，类似的方法称为“光的挤压”(Squeezing)技术，初步的实验结果已经得出。其它的引力波检测方法，例如采用空间技术或利用天体以检测引力波也已取得进展，但当前的主攻方向仍然是低温共振质量检测器和激光干涉检测器，前者的关键环节是制造出更低噪声的SQUID；后者的关键是得到大功率(百瓦量级)、高效率、单色性、稳定性好的连续激光源，YAD固体激光器有希望取代
激光器成为这样的光源。引力波信号可望于20世纪末被测到，量子极限下的检测技术将在实践中得到应用。21世纪，引力波天文台将揭开观测宇宙的新篇章。【参考文献】：1 Weoev J. Phys Rev D Lett, 1970,22,24,252 Moss G E et al. Appl Opt, 1971,10:24953 Lightman A P, Lee D L. Phys Rev D, 1973,8:32994 Giffard R P. Phys, Rev D. ,1976,14:24975 Caveo C M et al. Rev Mod phys, 1980,52:3416 Hough J et al. Quantum Opfics. Experimental Gvavily, and Measurement Theory ,1983,5157 Bocko Johnson M F. W. W. phys Rev A,1984,30:21358 Wu L Aet al.J.Opt Soc Am, 1987,B4:14659 Shoemakel D, et al. Phys Rev D, 1988,38:423(中山大学物理系崔世治、胡恩科教授撰)