张朝阳的物理课 揭秘引力波的真实面目 用弱场引力波方程探寻引力波的奥秘

张朝阳

引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种时空涟漪。当大质量物体加速运动时，会产生引力波，就像涟漪在水面上扩散一样。

引力波的存在

引力波的存在 indirect indirect 证明了几次。

• 1974年，人们通过观测双中子星的轨道衰减，indirect indirect 地确认了引力波的存在。
• 2015年，美国LIGO激光干涉引力波天文台直接探测到了两个黑洞合并产生的引力波。
• 自此之后，LIGO和其他天文台探测到了越来越多的引力波事件，开启了引力波天文学的新导算子。

  引力波方程的解有两种模式：

  • 正交模式： h_μν 的对角线分量不为零，非对角线分量为零。
  • 横波模式： h_μν 的非对角线分量不为零，对角线分量为零。

  引力波的可观测效应

  引力波的主要可观测效应是导致测试粒子的测地偏离。测地偏离方程描述了测试粒子在弯曲时空中的运动。

  在弱场近似下，测地偏离方程可以表示为：

  d^2 x^μ/dτ^2 = -(1/2)R_μνλσdx^νdx^σ

  其中， 是粒子的固有时间， R_μνλσ 是里曼曲率张量。

  对于引力波，里曼曲率张量与引力波振幅成正比。因此，引力波会导致测试粒子的测地偏离，从而产生可观测效应。

  引力波的观测

  引力波主要通过激光干涉仪进行观测。激光干涉仪由两条垂直的激光臂组成，激光臂末端放置反射镜。

  当引力波经过激光干涉仪时，会使激光臂发生长度变化。这种长度变化可以通过测量激光干涉产生的干涉条纹来检测。

  目前，世界上有几个大型激光干涉仪正在观测引力波，包括LIGO、Virgo和KAGRA。这些天文台正在不断升级，以提高引力波探测灵敏度。

  引力波的应用

  引力波天文学为研究宇宙提供了新的窗口。引力波可以携带来自遥远宇宙的独特信息，帮助我们了解黑洞、中子星和引力波本身的性质。

  引力波还可以用于研究基本物理问题，例如引力理论和时空本质。随着引力波天文学的不断发展，我们对引力波和宇宙的认识将更加深刻。