引力波的昨天今天和明天-中国科学院理论物理研究所.PDF

现代物理知识 引力波的昨天、今天和明天 1 1 2 3 王紫阳 乔霓炫 龚云贵 张元仲 （1 北京陈经纶中学 100020 ；2 华中科技大学 430074 ；3 中国科学院理论物理研究所 100190 ） 常难探测，所以在爱因斯坦提出引力波之后的几十年 一、引力波的历史 间有关引力波的理论研究并不多。 1. 引力波的理论预言及其特性 2. 引力波是否存在的争论 赫维赛德基于引力和电磁力都是平方反比力以 引力波是否存在一直是一个有争议的问题，甚至 及电磁波的物理特性早在 1893 年就提出了引力波的 爱因斯坦自己都怀疑引力波的存在。1936 年爱因斯坦 概念。庞加莱于1905 年进一步指出了引力波以光速传 和他的助手罗森写了一篇引力波不存在的论文（题目 播。1915 年年底爱因斯坦给出了引力场所满足的相对 是“引力波存在吗”）投稿到美国《物理评论》，编 论场方程—爱因斯坦场方程，并且于1916 年对爱因 辑部依据匿名审稿人的审稿意见拒绝发表该文；后来 斯坦场方程在平直时空背景下做线性近似，推导出了 爱因斯坦接受了他在普林斯顿大学的好友罗伯森的意 引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式， 见改写了论文（并修改了引力波不存在的错误结论， 从而预言了引力波的存在及引力波以光速传播。遗憾 但是他并不知道罗伯森其实就是匿名审稿人），题目 的是爱因斯坦在1916 年的推导中犯了一个错误，从 也改为《论引力波》并在富兰克林学院学报上发表。 而错误地预言引力波存在三个自由度，即三个偏振方 为了理解引力辐射问题，人们发展了不同的近 向。一年半之后的1918 年爱因斯坦纠正了这个错误， 似方法。1938 年爱因斯坦及其合作者提出了处理弱 正确地指出引力波只有两个独立自由度，即两个偏振 场中低速运动的“后牛顿”方法，利用这个近似方 4 υc 方向（属于横波），并计算了引力波辐射的能量。和 法，计算到( / ) 阶都不会出现引力能量辐射。四极 经典电磁辐射是由电荷加速运动所产生的机制类似， 矩辐射出现在下一阶，这点直到 1947 年才被中国物 爱因斯坦的四极矩公式告诉我们加速运动的物体会产 理学家胡宁教授证明。但是对于非低速运动的引力辐 生引力波。如果一个系统的质量分布不对称地运动， 射，上述近似方法便不再适用，而需要发展一套新的 那么时空变形就会以波纹的形式向外传播，这就是引 近似方法。对于双星系统，考虑引力波与双星系统的 力波。引力波在本质上不同于我们熟悉的电磁波，由 总能量守恒后，四极矩辐射公式则仍然适用。要处理 加速运动物体产生的引力波是时空纤维本身的波。由 如黑洞并合时所辐射的引力波，则需要利用数值相对 于电荷守恒定律，电磁辐射最低阶是偶极矩辐射。而 论方法。 能量守恒、动量守恒及角动量守恒定律则要求引力辐 直到20 世纪50 年代，一些相对论理论物理学 射最低阶是四极辐射，即典型的引力波源为类似转动 家，特别是邦迪严格证明了引力辐射实际上是一个可 哑铃的双星系统。因此，那些球对称的引力效应不会 观测的物理现象。因为引力波携带能量，所以一个辐 产生引力辐射，如超新星的完美球对称坍缩不会产生 射引力波的系统会损失能量。其实早在 1805 年，拉 任何波。而非球状的塌缩则会辐射引力波，所以双星 普拉斯就在他著名的“天体力学条约”中指出如果引 系统会辐射引力波。由于引力波的强度为物体运动速 力以有限的速度传播，一个双星系统中的引力就不会 度与光速之比的五次方（υ5/c5 ），因而其强度极小，非 指向两星之间的连线上，并且系统的角动量会随着时 24 物理前沿 间缓慢地减小。当然我们现在知道这是因为双星系统