文章编号：3929 / 更新时间：2024-12-06 09:15:42 / 浏览：次

引力波是广义相对论的重要预言，表明时空弯曲会以光速传播。爱因斯坦早在1916年就提出了引力波的存在，但他当时未能证明其存在。经过多年的研究，物理学家们才逐渐确认了引力波的真实性。

广义相对论中，时空被描述为黎曼流形，其度规张量描述了时空的弯曲程度。在弱场近似下，度规张量可以写成一个微小扰动的形式。对微扰项进行泰勒展开，可以得到描述度规微扰的波动方程。

早期探索

爱因斯坦在1916年提出了引力波的存在，但他当时的数学处理并不完善，使得引力波的物理实在性受到质疑。一些物理学家认为引力波可能只是坐标系的虚假现象，而不是真实物理实体。

邦迪的贡献

1950年代，赫尔曼·邦迪等人确定了引力波携带能量，并描述了引力波如何从一个源中辐射出来。邦迪通过Bondinews这一物理量，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。

萨克斯和哥德堡的工作

雷纳·萨克斯与约瑟夫·波多尔斯基在1962年的本文中，提出了Sachs-Goldberg公式，进一步规范了描述引力波的方法。至此，人们已经确信了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。

引力波的首次探测

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，他们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。

1990年代，激光干涉引力波天文台（LIGO）项目启动，并于2002年开始运行。2015年9月14日，LIGO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，爱因斯坦场方程描述了时空的曲率和物质能量-动量张量之间的关系。在弱场近似下，度规张量可以写成一个平直闵可夫斯基度规加上一个微小扰动的形式：

$$ g_{\mu\nu} = \eta_{\mu\nu} + h_{\mu\nu} $$ 其中，$\eta_{\mu\nu}$是闵可夫斯基度规，$h_{\mu\nu}$是度规微扰。

对度规微扰进行泰勒展开，可以得到描述度规微扰的波动方程：

$$ \Box h_{\mu\nu} = -16\pi G T_{\mu\nu} $$ 其中，$\Box$是达朗贝尔算子，$G$是万有引力常数，$T_{\mu\nu}$是物质能量-动量张量。

波动方程表明引力微扰以光速在时空中传播。引力波就是引力微扰在时空中传播的波。

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