文章编号：3194 / 更新时间：2024-12-04 05:49:11 / 浏览：次

引力波及其历史回顾

引力波的存在是广义相对论的重要预言。早在 1916 年，爱因斯坦就提出应该存在引力的波动，类似于电磁场中的电磁波。

当时的数学处理尚不完善，使得这些波的物理实在性受到质疑。特别是广义相对论具有坐标变换不变的性质，一些物理学家认为引力波可能只是坐标系的虚假现象，而非真实物理实体。

尽管存在这些质疑，物理学家们仍继续研究广义相对论和引力波的数学基础。到 1950 年代，在赫尔曼·邦迪、费利克斯·皮拉尼和伊凡·罗宾逊的努力下，确定了引力波携带能量。

而邦迪在 1957 年通过 Bondinews 这一物理量，确切地描述了引力波如何从一个源中辐射出来，证明了引力波能够在没有坐标系依赖的情况下，携带出能量、动量和角动量。

雷纳·萨克斯与约瑟夫·波多尔斯基在 1962 年的本文中，通过纽曼-彭罗斯形式形式（Newman-Penrose formalist）提出了 Sachs-Goldberg 公式，进一步规范了描述引力波的方法。

至此，人们已经确信在广义相对论的框架中的确存在引力波，引力波是时空弯曲效应的传播，传播速度等于光速。

在理论上确认引力波的存在性后

乔瑟夫·韦伯设计并建造了韦伯棒用于探测引力波。虽然他在 1969 年和 1970 年报告了引力波探测的结果，但这些结果后来被认为是噪声干扰，未能得到独立验证。

1974 年，罗素·霍尔斯和约瑟夫·泰勒发现了第一颗脉冲双星系统 PSR B1913+16。通过对双星系统的长期观测，Hulse 和 Taylor 发现这个系统的轨道半长轴衰减与广义相对论预言的引力波耗散一致。

这一发现间接证明了引力波的存在。两人也因此在 1993 年获得诺贝尔物理学奖。

到了 1990 年代，激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，LIGO）项目启动，并于 2002 年开始运行。两个分别位于美国的 Hanford 和 Livingston 的 LIGO 探测器使用迈克尔孙干涉仪的原理运行，每一个臂长约为 4 千米，光在其中通过法布里波罗腔干涉仪来回反射，不仅极大地提高了激光的功率，也增大了有效的干涉距离，使得有效臂长达到 1600 千米。

LIGO 完成了升级成为 Advanced LIGO 后，大大提高了探测引力波的灵敏度，于 2015 年 9 月 14 日成功探测到首个引力波事件 GW150914，这是两个质量约为 36 倍和 29 倍太阳质量的黑洞合并所产生的引力波。

这一事件验证了爱因斯坦的广义相对论，开启了引力波天文学的新时代。

在广义相对论中，引力微扰的波动方程是如何推导出来的？

在广义相对论中，不涉及到具体观测某一个物理现象时，并不一定需要找一些简单的情形来说明物理规律。一方面是因为广义相对论中会遇到各种阶数的张量，通常具体去计算分量会很复杂，分量的计算往往不会简单的物理情形而简单。

另一方面，假如能够熟练使用爱因斯坦求和规则，会使形式计算变得更加简单。爱因斯坦方程在弱场情形下可以出现波动方程，张朝阳为我们展示了这一理论推导的过程。

时空的微扰度规

对时空做微扰：

g = η + h

其中，η 是平直时空度规，h 是微扰。

爱因斯坦方程：

R - ½ gR = - 8πG T

弱场近似下，得到：

∇2 h - ∂∂ h - □ h = - 16πG T

其中，□ 是达朗贝尔算符，□ = ∇ ² - ∂ _t ² 。

因此，引力微扰的波动方程为：

□ h = - 16πG T

该方程的解描述了引力波在时空中的传播。

结论

引力波的存在是广义相对论的一个重要预言，其探测和研究已经成为当代物理学的前沿领域。通过对理论的深入理解和不断革新探测技术，我们正在不断揭示引力波的奥秘，探索宇宙的深层本质。

相关标签： 时空、 线性、 物理课、 指标、 洛伦茨、 引力波、 方程、 张朝、 张朝阳、 波动、 张量、 知识科普、 能量、 方程、 爱因斯坦、 形式、

本文地址：http://dy.qianwe.com/article/3194.html

上一篇：意义张朝阳物理课直播三周年感悟兴趣与交互...
下一篇：陈睿押宝三谋谋新游戏助功B站首获季度盈利...