爱因斯坦广义相对论 引力和电磁力有相似之处。例如，也可以用场的概念来描述引力，即任何静止的物质在它周围都存在引力场

引力波的寻找



引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成为天体物理学的一个重要前沿课题。

由普通物理学就可以知道，静止的电荷周围有静电场。当电荷作加速运动时，电场会随着变化，并且产生相应的变化磁场。这个变化的电磁场用波动的形式，以光速向四面八方传播，人们把它称作电磁波。1863年，物理学家麦克斯韦首先从理论上预言了电磁波。1888年，赫兹从实验方面证实了电磁波的存在，从此打开了人类利用电磁波的道路。例如1895年，意大利科孝赛马可尼发明了越洋无线电通信，尔后又广泛地应用于科技，生产和人类家庭生活。

与电磁学的快速发现情况相比，人们对引力构认识显得相当缓慢。引力也叫作万有引力，即所有的物体之间都存在着这种力的作用。任何一个物体，不论是高尔夫球还是地球，都产生一种跟它们的质量成比例的吸引力，物体的质量越大，其引力也越大。关于引力的存在理论，最早是由伽利略和牛顿根据天文学的研究提出来的。

引力和电磁力有相似之处。例如，也可以用场的概念来描述引力，即任何静止的物质在它周围都存在引力场。科学家认为，自然界中只有引力和电磁力是可以远距离起作用的力——习惯上称之为长程力。比起电力来，引力显得太微弱了，例如两个质子之间相互作用的引力，竟比它们间相互作用的电力小36个数量级。换句话说，两个质子之间的引力作用，只及电磁作用的1万亿亿亿亿分之一。

引力的本质是什么？它是不是也以波动的形式向四面八方传播呢？本世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，其中指出，宇宙中的一切物体的速度不能超过光速，并且揭示了时问和空间的相对性。不久，他又创立丁广义相对论，成功地解决了引力的理论问题。爱因斯坦认为，任何物体作加速运动时，都会辐射出以光速传播的引力波。

几百年来，牛顿被世人公认为是物理学上的权威，他刨立的万有引力定律是人们认识引力的第一座里程碑。但在这个定律中，物体间的引力作用是瞬时(不需要时间)、超距(不需要媒介)地传递的。虽然牛顿本人对此也不满意，此外，牛顿还有方有引力以无穷大的速度传播的理论。而爱因斯坦提出一切物体的速度不能超过光速，显然和牛顿的引力理论发生了矛盾。

引力波检测的开拓者

爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系引力物质的质量与时空“弯曲”的程度、性质之间的桥粱。

爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整阊的“弯曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。

当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引起周围电磁场的变化而产生电磁波一样。

从理论上说，引力场方程一旦建立，立即就提出了这样一个问题，即已知电磁波是麦克斯韦方程组的解，那么引力波能否和电磁波相似地是爱因斯坦引力场方程的解呢？早在1916年，爱因斯坦对引力场方程取近似值后得到了波动解。尔后在30年代，他和罗森曾在场方程中求得严格的柱面波解，于是人们在理论上才倾向于相信引力波存在。引力场方程的波动解表明，时空的波动作为一个独立的实体，以光速在真空中传播。

爱因斯坦曾经提出具体的实验方法来检测射力波，但在许多年中没有人实施过，因为引力波实在是太微弱了。科学家们自然想利用宇宙中的引力波源研究引力辐射。人们知道，遥远的恒星、星系均受到引力作用，而且星球本身也是由于引力克服了巨大的热压力才合为一体的。这些庞大质量的天体的运动，可以形成强烈的引力摄动，而摄动就以引力波的形式向外传播出去。打个比喻吧，它们就像一些猛闯乱窜的摩托艇在水面上所激起一阵阵波涛的情形。l960年，美国马里兰大学物理学教授韦伯博士，首次进行了探测宇宙中引力波的实验。

韦伯设计出一种天线来检测引力波，而且研究出精细的探测方法。这种天线是一根长1.53米、直径0.66米、重达l.4吨的圆柱形铝棒，它悬挂在真空环境中，周围尽可能没有干扰性振动。如果有引力波垂直扫过来时，就会激发铝棒振动。这种振动虽然很微弱，但是可以通过该棒中间附加的压电应变转换器变换为电信号检测到。实际上，这根棒是根据爱因斯坦曾提出的实验方法设计的，但是人们还是习惯于称之为韦伯杆。

为了确定铝棒的振动不是因为当地发生波动或是由车辆开过时发生震动而产生的，韦伯教授又在1000公里之外芝加哥附近的阿岗国家实验室，安装了一个类似的仪器。他想，假如有一个引力波扫过整个太阳系的话，那么两台仪器都会同时发生同样的反应。1969年6月16日，韦伯在《物理评论快报》上发表文章，宣布他和他的同事们探测到了一些可能是引力波的现象，因为在他们的两台仪器上，观察到了两个巧合的现象。韦伯还声称发现了100个左右的符合脉冲。

除去引力波之外，韦伯仔细地研究了所有可能引起这些脉冲的因素，其中包括太阳耀斑、雷电、人为的无线电信号、电活动以及地震波。但是他发现所有这些现象似乎和上述脉冲都无关系。韦伯的报告引起了世界科学界的兴奋和关注，科学家们纷纷进行类似的实验。譬如在美国纽约北部的罗彻斯特，在德国以及苏联，结果发现当年韦伯检测到的并不是引力波，因为有的实验的灵敏度超过韦伯的探测仪器，但都没有再发现类似的符合脉冲．

引力波的间接证据

韦伯的初次实验后大约10年，即1978年，科学家在探索引力波的历史上开创了一个崭新的局面。事情要从l974年说起，那一年，美国马塞诸萨大学的天文学家泰勒等人，使用波多黎各阿雷西博天文台的世界上最大的射电望远镜，在研究脉冲星的过程中，发现在双星里至少有一颗伴星是双星脉冲星。取名为PSRl913十16的脉冲伴星，由具有1.4倍的太阳质量(仍然是中子星)或作为黑洞的伴星组成，绕着公共重心以约8小时的周期轨道运转。虽然该双星系统的两颗星中仅有一颗是脉冲星，但经过对其轨道进行的研究表明，它的另一颗伴星也是中子星。泰勒及其合作者测定了这颗脉冲星的信号到达地球的时间，从而以极高的精确度绘出了两颗中子星的轨道。

脉冲星在绕轨道运转时，因多普勒效应使脉冲发生异常，由此可以推算出其轨道周期。从l974-1978年这段时期，泰勒等密切地注视，不断地观测这一对双星脉冲星。为什么它们这么吸引人呢？因为它们具有这样的特性：信号脉冲周期很短，是双星系统的一员，运动速度高达光速的l／l000，轨道偏心率也很大，再加上相当强的引力场。泰勒认为，如果一个天体靠近另一个很大质量的星体运转，产生引力波，运转轨道将会因所特有的能量损耗而渐渐变小，轨道周期也会缩短。

前面说过，这个双星系统的公转周期约为8小时，实际上，泰勒他们在具体观测中是以秒来计数的，精确的周期被定为是279.9817±O．0005秒，可见，精确度是足够高的。经过4年的辛勤观测，他们确认，这对双星互相绕转的周期缩短了0.000414移，也就是说，周期每年缩短了万分之一秒。这个数值，与由于发出引力波而损耗能量使得周期缩短的预期值，符合得很好。它表明，这颗脉冲星确实发出了携带能量的引力波。理论与实验问的一致性给人们以极大的鼓舞，因为引力波终于第一次被间接地证实了，虽然也有人怀疑，认为这个双星系中的另一伴星，一旦有其他质量损耗，也会产生同样的效应。但从此以后，有关引力波是否存在的争论逐渐趋于平息。

要最终证实引力波的存在，还得用直接的方法来找到它。因为一颗大质量恒星以明亮的超新星爆发形式崩溃而死亡时，它的核心就突然坍缩成一颗中子星，这时会伴随着发出强烈的爆发性引力波。科学家们对星体坍缩过程细节的认识还远不完善，但可能有多达1／1000的中子星质量转化成了引力波。银河系的超新星爆发大约每30年发生一次，它可能在地球上引起1／l018左右的应变量。

超新星辐射的引力波如果被检测到，将具有深远的影响。人们可以致力于检测来自超新星坍缩内核的引力波的到达时间，以及它与来自恒星爆炸外壳的光波的到达时间问隔。如果引力波与光波同时被检测到，就直接证明了爱因斯坦相对论关于引力波传播速度等于光速的预言。

根据引力波产生的空间畸变，近年人们研制出两种引力波检验器，一种是对自由质点间距离的变化，用激光干涉仪测定，称为激光干涉仪；另一种是利用引力波的弹性振动和共振时较大的位移，称为共振型检验器。现在，世界上很多科研团体正在进行这两种检验器的改良工作。在国际天文学联合会上，已提出了建设具有恒定作用的引力波天文台的倡议，人们还期望于21世纪，在宇宙空间构筑成高性能的引力波天文台。

说到这里，也许有人还要提问，为什么许多科学家要花很大的精力和时间去探索这种非常难以捉摸的引力波呢？这个问题可以用一部简明的自然科学发展史来回答，即一个正确的科学理论的问世，必然给人类带来新的科学技术和工业技术的发展。可以想象，一旦引力波被人类直接探测到，将进一步证实广义相对论的正确性，使人类最终弄清所谓四种相互作用的本质，在实现大统一的相互作用理论的道路上迈进一大步。近年来，人们还设想和研制了有关发生和检测引力波的装置，并且成功地实现了一长一短的莫尔斯电码的发送和接收，为人类利用引力波通信展现了美好的发展前景，尽管需要解决的课题还很多，任务还很艰巨。



原作：李 良

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• 在欧几里德空间里，一个矢量作平行移动“兜”一个圈回到原处，这个矢量的大小和方向都不会发生变化 -marketreflections- ♂ (2969 bytes) () 12/03/2009 postreply 08:28:46

• 一个弯曲的空间里对矢量这样作,可以根据其大小和方向变化的多少来判断空间弯曲的程度和特性 -marketreflections- ♂ (351 bytes) () 12/03/2009 postreply 08:30:52

• 戴伍圣 群论 -marketreflections- ♂ (178 bytes) () 12/03/2009 postreply 09:01:17

• 引力场是暗能量和星体相互作用的产物 -marketreflections- ♂ (1106 bytes) () 12/03/2009 postreply 10:13:46

• 人类对引力传递方式的认识历程 -marketreflections- ♂ (8144 bytes) () 12/03/2009 postreply 10:22:29

• 过去两千多年的四五个时空模型的差异都表现为纤维丛的结构差异， 比如说，各自的结构群的不同 -marketreflections- ♂ (9542 bytes) () 12/03/2009 postreply 09:53:24

• 比如Newton时空， 底流形是一维流形， 也就是实数轴，代表了时间 -marketreflections- ♂ (296 bytes) () 12/03/2009 postreply 09:58:35

• 赵展岳：“相对论”让我如此富有 -marketreflections- ♂ (298 bytes) () 12/03/2009 postreply 10:25:19

• 如果四维时空间隔的平方大于零，则称间隔是类空的，这反映事件A和B之间不会有因果联系 -marketreflections- ♂ (1147 bytes) () 12/03/2009 postreply 11:15:32

• 股价强波动时，价格间距逻辑上是零 -marketreflections- ♂ (122 bytes) () 12/03/2009 postreply 11:20:13

• 闵可夫斯基的时空间隔 大于零,未来;等于零,现在; 小于零,过去 -marketreflections- ♂ (1402 bytes) () 12/03/2009 postreply 13:13:29

• "四维时空间隔等于零"google.cn -marketreflections- ♂ (198 bytes) () 12/03/2009 postreply 13:18:37

• 度规,广义空间距离;联络,物理场势;曲率,物理场强;测地线,运动方程,变分原理,物理最小作用量原理 -marketreflections- ♂ (11136 bytes) () 12/03/2009 postreply 11:42:56

• smart money waits for the dust to settle and trades later in the -marketreflections- ♂ (1151 bytes) () 12/03/2009 postreply 17:27:03

• 背景独立的理论有牛顿力学（假设存在一条独立不变的时间轴），狭义相对论（其背景为闵可夫斯基空间，背景度规为闵可夫斯基度规）， -marketreflections- ♂ (2465 bytes) () 12/04/2009 postreply 10:32:07

• 科普书籍>>当代物理学进展 -marketreflections- ♂ (109 bytes) () 12/04/2009 postreply 10:35:55

• 电子在原子中运动时，只要不发生能级跃迁，就并不发射电磁波 -marketreflections- ♂ (7448 bytes) () 12/04/2009 postreply 10:48:03

• 自然光是大量原子同时发出的光波的集合。其中的每一列是有一个原子发出的，有一个偏振方向 -marketreflections- ♂ (43 bytes) () 12/04/2009 postreply 10:49:36

• 光学 -marketreflections- ♂ (1209 bytes) () 12/04/2009 postreply 10:51:35

• 爱因斯坦等效原理 -marketreflections- ♂ (35255 bytes) () 12/04/2009 postreply 11:15:25

• 局部惯性系的一个实例是无动力飞行的宇宙飞船, -marketreflections- ♂ (909 bytes) () 12/04/2009 postreply 11:24:35

• consecutive days above its 50-day moving average (DMA). (图) -marketreflections- ♂ (848 bytes) () 12/04/2009 postreply 11:25:56

• 惯性: either way, double edge knife -marketreflections- ♂ (65338 bytes) () 12/04/2009 postreply 11:47:13

• 物理定律和物理量不依赖于坐标系的 选择. 作为一个几何化的理论，应当寻找与这些物理量对应的几何量. 这些几何量应当独立于坐标系的 -marketreflections- ♂ (22715 bytes) () 12/04/2009 postreply 12:04:30

• 群论简介 -marketreflections- ♂ (245 bytes) () 12/05/2009 postreply 19:02:32

• 伽利略大船,各向同性,匀速，匀时空，匀动量，匀场，牛顿本质 -marketreflections- ♂ (23574 bytes) () 12/04/2009 postreply 12:21:30

• 原时和坐标时物体的原时是该物体的属性，惯性系的坐标时是该惯性系的属性 -marketreflections- ♂ (375 bytes) () 12/04/2009 postreply 12:25:18

• 纳什嵌入定理(两个)被稱為黎曼幾何的基礎理論 (图) -marketreflections- ♂ (264 bytes) () 12/05/2009 postreply 10:32:29

• 以真空中量子涨落能量为零点，高于的叫正能量，低于的叫负能量 -marketreflections- ♂ (2947 bytes) () 12/06/2009 postreply 17:32:47

• 物理定律涉及的并不是一个局部的时空点，而是一个时空范围 -marketreflections- ♂ (34460 bytes) () 12/04/2009 postreply 12:30:11

• 广义协变原理 -marketreflections- ♂ (440 bytes) () 12/04/2009 postreply 12:34:23

• 芝诺坐标系 正的表示不需要意会理解的思维与存在、物质与真空，负的表示需要意会理解的思维与存在、物质与真空 -marketreflections- ♂ (19002 bytes) () 12/03/2009 postreply 12:47:10

• 无论是物理场还是几何场，人们总希望以某种形象的方式表示它，这样就能研究场的细节 -marketreflections- ♂ (9422 bytes) () 12/03/2009 postreply 12:57:40

• 这种将物质看作是空间，几何场及信息的奇怪观点并不是科学中所独有的，在柏拉图的哲学中 -marketreflections- ♂ (11147 bytes) () 12/03/2009 postreply 13:06:47

• 与确定性的运动相关的能量就对温度无直接贡献 -marketreflections- ♂ (2765 bytes) () 12/02/2009 postreply 09:05:55

• 门的位置有个洞,机器人，在室外可以靠GPS，但在室内一般就是用拓扑特征来分辨自己的位置 -marketreflections- ♂ (17210 bytes) () 12/02/2009 postreply 09:25:54

• 规范变换的意义 物理规律不因为变换而变，则变换前后的拉格朗日密度应该相等 -marketreflections- ♂ (1418 bytes) () 12/01/2009 postreply 15:36:02

• 规范变换是现在物理的基石之一 -marketreflections- ♂ (4498 bytes) () 12/01/2009 postreply 15:44:06

• 金融市场中各现象的活跃分子组成的也是一个数目不固定、可以产生和消灭的体系。理论物理学中人们研究系统的对称性不变性，在各种时空变换 -marketreflections- ♂ (9932 bytes) () 12/01/2009 postreply 15:51:47

• 对称——重要的物理思维方法 -marketreflections- ♂ (8304 bytes) () 12/03/2009 postreply 12:12:06

• 曹天予的《二十世纪场论的概念发展》 -marketreflections- ♂ (16248 bytes) () 12/03/2009 postreply 12:16:38

• 冯向军 对称性与规范场、守恒性:每一种由局域作用所产生的对称性都对应一守恒流 -marketreflections- ♂ (53464 bytes) () 12/03/2009 postreply 12:26:29

• 牛顿"物体的属性",表面的，人看得见的，股票价格点 -marketreflections- ♂ (1253 bytes) () 12/05/2009 postreply 10:12:56

• 从花园里飘出来的花香，也是连续的、广延的，但如果我们坐在汽车上高速冲过这团香气时，则我们就会觉得这团香气是一个“香子”。 -marketreflections- ♂ (3040 bytes) () 11/24/2009 postreply 10:02:27

• 凸集理论 求得系统的最有利响应（最小 响应）和最不利响应（最大响应）以及响应集中的各个元素在 由最有利响应和最不利响应组成的界限 -marketreflections- ♂ (5210 bytes) () 11/20/2009 postreply 08:56:12

• ""可积收敛" google.cn 瑕积分,瑕点,gap -marketreflections- ♂ (454 bytes) () 11/18/2009 postreply 16:52:54

• 人性数学认识 -marketreflections- ♂ (62 bytes) () 11/18/2009 postreply 16:55:11

• 在那一刻 -marketreflections- ♂ (258 bytes) () 11/19/2009 postreply 11:33:34

• 函数概念 由任一变量和常数的任一形式所构成的量 -marketreflections- ♂ (10238 bytes) () 11/19/2009 postreply 17:10:16

• 漫谈函数概念的几点推广,定义域、对应法则与值域 -marketreflections- ♂ (2779 bytes) () 11/20/2009 postreply 08:35:00

• 基于规范场论的金融物理金融市场 建模 -marketreflections- ♂ (90 bytes) () 11/20/2009 postreply 09:02:20

• 非线性规划理论 若所有约束均是线性的，则可行域是凸集 -marketreflections- ♂ (254 bytes) () 11/20/2009 postreply 09:12:56

• 凸函数 连接任意点的线段总在曲线上端; 凹函数 连接任意点的线段总在曲线下 -marketreflections- ♂ (557 bytes) () 11/20/2009 postreply 09:38:23

• 单纯形法的基本思想是：先找出一个基本可行解，对它进行鉴别，看是否是最优解；若不是，则按照一定法则转换到另一改进的基本可行解,再鉴 -marketreflections- ♂ (3267 bytes) () 11/20/2009 postreply 09:51:55

• 我自学数学的非常故事 (图) -marketreflections- ♂ (150 bytes) () 11/20/2009 postreply 09:36:07

• 对于任意一个系统，如果能找到一个自我耗散的能量函数（数学说法是正定函数），也就是其数值永远为正，但随时间渐进地趋向零，或者说这个 -marketreflections- ♂ (2982 bytes) () 11/17/2009 postreply 11:39:11

• 系统的动力函数:自我耗散的能量函数 -marketreflections- ♂ (25 bytes) () 11/17/2009 postreply 11:42:36

• pappytom64152:you have a huge following -marketreflections- ♂ (977 bytes) () 11/17/2009 postreply 11:52:14

• sgzh clearstation.etrade.com (图) -marketreflections- ♂ (222 bytes) () 11/17/2009 postreply 13:48:44

• sgzh caps.fool.com 4 stars -marketreflections- ♂ (81 bytes) () 11/17/2009 postreply 13:55:50

• Glen Bradford globalspeculation.com -marketreflections- ♂ (45 bytes) () 11/17/2009 postreply 14:06:05

• sgzh 3 new directors in order to have compliance for their uplis -marketreflections- ♂ (5512 bytes) () 11/17/2009 postreply 14:10:50

• 黑龙江省煤田地质局副局长、党委副书记,煤田地质专家曲延林 -marketreflections- ♂ (2931 bytes) () 11/17/2009 postreply 14:25:42

• sgzh run up before quarterly earnings posted; then drop 10-30% -marketreflections- ♂ (1182 bytes) () 11/22/2009 postreply 07:39:04

• sgzh 3 StoxNBondz -marketreflections- ♂ (6647 bytes) () 11/22/2009 postreply 07:57:48