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。这样来，弯曲角度，这也是广义相对论早期被实验验证的重要结论之一，这个角度刚好是牛顿力学给出结果的两倍。之前还计算过水星近日点的进动。太阳系的所有行星围绕太阳的公转轨迹其实都不是严格的椭圆，而是不断进动的不封闭曲线。水星距离太阳最近，所以效果最明显。还求解过广义相对论的恒星内部解。恒星不是单个粒子，其内部需要用密度和压强来描述，进而给出能动张量。借助爱因斯坦场方程，最终可以得到星体内部的静态方程，这将比经典的流体平衡方程多出若干项修正。
引力波的具体形式
在这些静态的例子之外，动态的情形也是非常值得探讨的。比如，爱因斯坦场方程给出的这个时空弯曲，会不会像波一样传播呢？爱因斯坦早在 1916 年就预言引力波的存在，这一预言最终得到了证实。广义相对论是狭义相对论的推广，狭义相对论表明物理过程有个速度上限，即光速 c。自然地可以想，物质导致的时空弯曲也是需要时间传递的，而不可能是瞬时的，这表明了这种波动是很有可能存在的。
爱因斯坦场方程能否给出这个稳定的波动形式呢？爱因斯坦当年对这个问题给出了肯定的回答，这一预言虽然又经历了否定与肯定，终于在 20 世纪七十年代经过对双中子星缠绕现象的观察而被间接证实。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，因此它能够为我们提供比电磁波更早的宇宙演化信息。比如说，人们已经观测到了宇宙大爆炸之后约 10 亿年的引力波。
引力波的观测
引力波是一种时空的波，它会导致物体在空间中产生振动或拉伸。有几种方法可以观测引力波：
- 激光的干涉：这是目前最成功的引力波观测方法。它使用激光干涉仪，当引力波经过时，它会改变激光束的长度，从而产生可探测的信号。
- 共振腔：共振腔是一种装有谐振器（如金属条或晶体）的装置。当与引力波的频率相匹配时，谐振器会振动，产生可探测的信号。
- 原子干涉仪：原子干涉仪利用原子波（物质波）的干涉原理来探测引力波。当引力波经过时，它会改变原子波的路径长度，从而产生可探测的信号。
引力波的应用
引力波的观测为我们提供了一种新的工具来探索宇宙。它可以帮助我们了解：
- 宇宙的早期演化：引力波可以追溯到宇宙诞生后的几毫秒，为我们提供宇宙如何从大爆炸中形成的见解。
- 黑洞和中子星的性质：引力波可以研究黑洞和中子星的性质，例如它们的质量、自旋和内部结构。
- 引力本身：引力波可以用来测试爱因斯坦的广义相对论，并探究引力的本质。
结论
引力波是爱因斯坦广义相对论中预言的一种时空波。它是由大质量物体的加速运动产生的，可以穿越太空，携带关于宇宙的信息。引力波的观测为我们提供了一种新的工具来探索宇宙和了解引力的本质。
发表评论