文章编号：665 / 更新时间：2024-11-29 11:44:04 / 浏览：次

引力波的存在

引力波是广义相对论的重要预言，它是时空弯曲效应的传播，传播速度等于光速。引力波的存在早在 1916 年就由爱因斯坦提出，但他当时无法给出数学上的严格证明。

直到 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。

引力波的探测

尽管理论上确认了引力波的存在，但直接探测到引力波仍然非常困难。1969 年，乔瑟夫·韦伯设计并建造了韦伯棒用于探测引力波，但他报告的探测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（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。

引力微扰的波动方程

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的分布之间的关系。在弱场情形下，爱因斯坦场方程可以线性化，得到波动方程：

$$\Box h_{\mu\nu} = -16\pi G T_{\mu\nu}$$

其中：

• $h_{\mu\nu}$ 是度规的微扰
• $\Box$ 是达朗贝尔算子
• $G$ 是万有引力常数
• $T_{\mu\nu}$ 是物质的能量-动量张量

波动方程表明引力波以光速传播，并且携带能量和动量。它为探测和理解引力波提供了重要的理论基础。

张朝阳的物理课中的推导

在 5 月 26 日和 6 月 2 日的《张朝阳的物理课》第二百一十三和二百一十四期中，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳博士坐镇搜狐视频直播间，在介绍了电磁场的波动方程之后，运用弱场下的平直时空微扰法，推导出了度规的微扰所需满足的波动方程。

张博士的推导过程清晰明了，为理解引力微扰的波动方程提供了宝贵的帮助。广大物理爱好者可以前往搜狐视频观看这两期节目，深入了解引力波及其相关的理论。

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