张朝阳的物理课 揭秘引力波的真实面目——弱场引力波方程之解

由搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳主讲的《张朝阳的物理课》第二百三十二期中，张朝阳博士深入浅出地讲解了引力波的相关知识。

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。时空中粒子的运动不是受引力影响，而是走出一条最短的路径，即测地线。可以用二阶张量度规来描述时空的弯曲，克氏符描述基矢随坐标的变化，黎曼曲率由度规的二阶导数组成，决定了时空是否弯曲。爱因斯坦场方程描述了度规与物质存在的关系，可以通过求解爱因斯坦场方程得到度规，从而描述时空的弯曲。

引力波的具体形式

爱因斯坦场方程给出的时空弯曲是否可以像波一样传播？答案是肯定的。在广义相对论中，物质导致的时空弯曲需要时间传递，不可能瞬时发生。这就表明了引力波的存在。引力波的传播速度与光速相同。

引入坐标条件，可以将度规展开为平直时空的度规加上微扰项。将微扰项代入爱因斯坦场方程，可以得到波动方程，求解波动方程可以得到度规的具体形式。

引力波有两种模式：正交模式和横向模式。正交模式对应着时空弯曲的迹，横向模式对应着时空弯曲的迹为零的情况。

引力波的观测

引力波与物质的相互作用非常弱，拥有极强的穿透能力，因此宇宙相对于引力波来说几乎是透明的。引力波的观测主要通过激光干涉法实现。当引力波经过时，会使激光在不同方向上的传播时间发生变化，从而可以在激光干涉仪中产生可测量信号。

2015年9月14日，美国LIGO的两个激光干涉引力波天文台首次直接探测到了引力波信号，开启了引力波天文学的新时代。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。

引力波的观测为研究宇宙提供了新的手段。引力波携带了宇宙演化过程中大量的信息，通过观测引力波，我们可以了解宇宙的早期演化、大质量黑洞的合并、中子星的碰撞等现象，加深对宇宙的认识。

总结

引力波是一种时空弯曲的波，由物质的运动和相互作用产生。引力波具有极强的穿透能力，携带了宇宙演化过程中大量的信息。引力波的发现和观测为物理学和天文学的发展开辟了新的篇章。