探索广义相对论下的线性引力波张朝阳的物理课聆听来自宇宙的回响

文章编号：3667 / 更新时间：2024-12-05 12:39:03 / 浏览：次

广义相对论的重要预言之一就是引力波的存在。证明其存在并不容易。

历史上，早在 1916 年，爱因斯坦就在与史瓦西的信件中提出应该存在引力的波动，类似于电磁波在电磁场中的传播。爱因斯坦提出，引力波以光速传播，并且在源处释放能量。

当时的数学处理并不完善，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。

爱丁顿在 1922 年对引力波的存在性表示怀疑，认为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 PSRB1913+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 Gravitation 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，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，爱因斯坦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

其中，η 为平直时的度规，h 为度规的微扰。