广义相对论的伟大预言之一是引力波的存在,但其证明存在并非易事。
早在1916 年,爱因斯坦就在写给施瓦西的信中提出了引力波的存在,类似于电磁波在电磁场中的传播。他认为引力波以光速传播,并在源处释放能量。当时的数学处理并不完善,导致这些波的物理实在性受到质疑。
爱丁顿在 1922 年对引力波的存在性表示怀疑,认为它们可能没有实际的能量和动量。尽管如此,物理学家们仍在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。
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 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} T_{\mu\nu}
其中:
- $\Box$ 是达朗贝尔算子,
- $G$ 是牛顿万有引力常数,
- $c$ 是光速,
- $T_{\mu\nu}$ 是能量动量张量。
结论
引力微扰波动方程的推导是广义相对论中的一个重要成果。它为我们提供了理解引力波性质和探测方法的理论基础。随着引力波天文学的不断发展,引力波将成为我们探索宇宙最前沿的强大工具,为我们带来更多关于宇宙起源和演化的深刻见解。
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