探索广义相对论下的线性引力波—— 张朝阳的物理课 宇宙的声音

引力波回顾

引力波是广义相对论的重要预言，早在1916年，爱因斯坦就提出了引力波的存在。

引力波的存在性曾经饱受质疑。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。

直到1950年代，邦迪等人的研究才确定了引力波携带能量。之后，萨克斯与波多尔斯基提出了Sachs-Goldberg公式，进一步规范了描述引力波的方法。

引力波探测

虽然理论上确认了引力波的存在性，但实际探测引力波却很困难。

韦伯在1969-1970年报告的探测结果后来被认为是噪声干扰。

1974年，霍尔斯和泰勒发现了脉冲双星系统PSRB1913+16，通过对该系统的长期观测，他们间接证明了引力波的存在，并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

引力波天文台

20世纪90年代，激光干涉引力波天文台（LIGO）项目启动。

2015年9月14日，LIGO成功探测到首个引力波事件GW150914。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

在广义相对论的弱场近似下，爱因斯坦方程可以简化为波动方程。

假设背景时空为平直时空，并对时空度规进行微扰展开。经过一系列代数计算，可以得到度规微扰满足的波动方程：

$$\Box h_{\mu\nu}-\frac{1}{2}\partial_\mu\partial_\nu h^\lambda_\lambda=16\pi G T_{\mu\nu}$$ 其中 $h_{\mu\nu}$ 为度规微扰，$\Box$ 为达朗贝尔算子，$T_{\mu\nu}$ 为应力-能量张量。