解码引力波 张朝阳的物理课 弱场引力波方程之谜

广义相对论的基本框架

张朝阳首先带领大家回顾了广义相对论的基本框架。广义相对论表明物质的存在导致时空弯曲。当探究粒子在弯曲时空中的运动时，可以放下其受到引力这样的观点，而直接地认为粒子需要在这弯曲的时空中走出一条最短的线。借助一个二阶张量即度规可以描述时空的弯曲。度规的一阶导数可以定义克氏符，进而可以描述基矢随坐标的变化。再对克氏符求一次导数并以特定方式进行组合，可以定义空间的黎曼曲率，时空是否弯曲正由黎曼曲率来决定。观察而被间接证实。双中子星缠绕旋转时能量和速率不断变化，而这一变化可以被引力波辐射很好地描述。人类首次真正地观测到引力波是在2015年9月14号，美国LIGO的两个激光干涉引力波天文台记录了相应的信号。自此之后，人们发现了越来越多的引力波事件，更精密更庞大的测量设备开始被建设，开启了引力波天文学的新时代。

与电磁波相比，引力波与物质的相互作用要弱得多，因此拥有极强的穿透能力，宇宙相对于引力波来说几乎是透明的。宇宙第38万年左右被称为再复合时期，在这期间电子与原子核相互结合，形成了原子。在此之前，可见物质主要以等离子体形式的存在，而电磁波与等离子体有极强的相互作用，这个阶段的演化信息很难通过电磁波的形式留存下来。比如现在能够观察到的宇宙微波背景辐射，是38万年以后留下来的灰烬。但是要注意到，引力波可以很好地穿透等离子体，所以有可能在电磁波所无法企及的早期宇宙中，观测到更多的信息。

如何观测引力波的存在

观测引力波的存在有以下几种方法：

• 光速延迟法：引力波的传播速度为光速，因此引力波的传播会导致光速的延迟。可以通过测量远处的光源发出的光信号与接收到的光信号之间的时间差，来探测到引力波。
• 激光干涉法：引力波的传播会导致时空的弯曲，而这种弯曲会使激光干涉仪中激光束的路径发生改变。通过测量激光干涉仪中激光束路径的变化，可以探测到引力波。
• 脉冲星时序法：脉冲星是高速旋转的中子星，它们会周期性地发出无线电脉冲。引力波的传播会对脉冲星的旋转产生影响，从而导致脉冲星发出的无线电脉冲的时间有所变化。通过测量脉冲星发出的无线电脉冲的时间变化，可以探测到引力波。

引力波的研究是一个非常活跃的领域，它对于理解宇宙的奥秘具有重要的意义。随着探测技术的不断进步，我们相信未来将会有更多的引力波被发现，这将为我们探索宇宙的起源和演化提供新的窗口。