时空的乐章——引力波百年漫谈(一)

2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)宣布观测到了引力波。这是在经过近半个世纪的不成功尝试之后,人类首次观测到了这种曾被爱因斯坦(A. Einstein)预言过的现象。LIGO观测到引力波的消息激起了媒体和公众的极大兴趣,甚至一度致使LIGO网站因访客过多而瘫痪。LIGO观测到的引力波来自一对黑洞的合并,这对黑洞的质量均数十倍于太阳质量,其中数倍于太阳质量的巨大部分在合并过程中转变成了能量,以引力波的形式释放了出来。这种引力波的最大功率(即单位时间内释放出的能量的最大值)甚至超过了可观测宇宙中所有星星辐射功率的总和,实在是惊心动魄到了极致,而它被LIGO探测到的扰动幅度却比原子核线度还小很多个数量级,又实在是细微到了难以想象。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(四)

我们迄今介绍的引力波研究都是近似研究,基本理论框架未超出爱因斯坦1918年的原始论文《论引力波》（具体参阅第四、五两节）。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(七)

正十二、脉冲星圆舞曲韦伯在声望鹊起后的快速陨落,使引力波探测在燃起短暂的希望后重新陷入渺茫。然而大致就在这时,一项天文发现从一个完全不同的角度为引力波探测注入了新的生机。事情发生在1974年。那年夏天,美国马萨诸塞大学安姆斯特分校(University of Massachusetts Amherst)的研究生赫尔斯(R.Hulse)受导师泰勒(J.Taylor Jr.)教授的指派,在阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)从事一项系统的脉冲星搜索,作为博士论文的基础。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(八)

泰勒-赫尔斯双星虽基本扑灭了对引力波的残存怀疑,却绝不意味着对引力波的直接探测失去了重要性,甚至也不曾减弱直接探测的吸引力。相反,残存怀疑的扑灭在一定程度上减小了直接探测的风险,从而有助于激起直接探测的兴趣。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(九)

LIGO的设计和建设是工程师和实验物理学家的天下,但理论物理学家也绝非只是旁观客,除提供技术背后的理论支持外,摆在他们面前的还有三个重大的理论问题。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(二)

<正>三、算不上先驱的先驱在广义相对论之前的物理学中,时空宛如一个舞台,物理过程像戏剧一样千变万化,舞台却是不变的。广义相对论首次将时空变成了戏剧的一部分,变成了一个动力学概念,时空不再是不变的了。另一方面,在物理学上,几乎所有可变的东西都可以有波动式的变化,时空既然不再是不变的,就也没理由例外,从这个意义上讲,引力波在概念层面上的存在几乎是水到渠成,甚至显而易见了。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(十)

随着针对致密双星合并的理论计算——尤其是关于合并末期的数值相对论计算——的积累,因LIGO而摆在理论物理学家面前的三个理论问题就算全部有了答案。在此期间,名为“高级LIGO”的升级工程也顺利推进着,LIGO对引力波的探测逐渐接近了“万事俱备”的状态。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(三)

<正>六、从难以置信的弱到不可思议的强在本节中,我们要做一件顺理成章的事,那就是应用上节得到的引力波四极辐射的功率表达式——即(5.5)式,来计算或估算一些具体例子,并得出数值结果,从而使我们对引力波,尤其是它的强弱,有一个比抽象公式更直观的了解。不过在应用之前,首先要解决一个小问题。细心的读者想必早已注意到——事实上我们曾提醒过,(5.5)式及前文中的其他类似公式都采用了光速c=1的特殊单位制,由此带来的显而易见的结果是公     

时空的乐章——引力波百年漫谈(十一)

GW150914是一个里程碑式的成就,不过LIGO的成功不能只靠一次成就。事实上,如我们在第二十节中提到的,探测到GW150914之后的一段时间内,LIGO内部对GW150914有一种基于概率的疑虑,消除这一疑虑的则是三个多月后探测到的另一组信号：GW151226。     

时空的乐章——引力波百年漫谈（六）

不知有没有读者注意到,我们的引力波百年漫谈进行到这里,出场的人物已不少,却没有对任何一位的生平作介绍。     

解密引力波——时空震颤的涟漪

引力波由时空弯曲引起,并以光速传播.爱因斯坦通过广义相对论预言了引力波的存在.2015年9月14日LIGO引力波天文台首次探测到引力波信号,这是人类首次直接探测到引力波,也是首次探测到双黑洞并合事件.我们特别邀请LIGO科学联盟的两位教授从他们的实际科研工作出发,向我们详细解密引力波的前世今生.     

引力波:时空的涟漪,天球的乐音

激光干涉引力波天文台(LIGO)的引力波观测打开了认识宇宙的新窗口。文章从引力场方程的线性化开始,介绍了引力波的弱场近似解、四极辐射、波源和频率以及黑洞结合的模拟波形。最后借Kip Thorne关于引力波的预言和猜想,呈现引力波宇宙学的前景。     

时空之海上的浮标——脉冲星计时阵列测量引力波简介

如果把时空比作海面,物质比作航行其上的船只,那么广义相对论预言这海面并非水波不兴。有时海面上会被巨轮激起波浪,这些波浪穿过整个大海,衰减成微弱的涟漪。     

百年预言成真:引力波的存在被证实

美国当地时间2016年2月11日,美国国家科学基金委员会(NSF)召集来自加州理工学院、麻省理工学院以及美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织的科学家代表在华盛顿国家新闻中心向世界宣布:加州理工学院、麻省理工学院和LIGO科学合作组SLC的科学家利用设在华盛顿州汉福德的高级激光干涉仪引力波探测器(Advanced LIGO)H1和位于路易斯安娜州利文斯顿的相同的实验设备L1发现了引力波存在的直接证据,困扰科学家100年来的物理学难题得到破解。这是一项划时代科学成就,具有极其深远的意义。     

诺贝尔物理学奖百年回顾(续)

波尔马特（Saul Perlmutter,1959~）与斯密特（Brian P.Schmidt,1967~）和赖斯（Adam G.Riess,1969~）因观测遥远的Ia型超新星并发现宇宙的加速膨胀,共同分享了2011年度诺贝尔物理学奖：波尔马特得一半;斯密特和赖斯均分另一半。     

诺贝尔物理学奖百年回顾(续)

编者按：本刊曾于2000 年第1 期至2001 年第5 期连载了《诺贝尔物理学奖百年回顾》的系列文章。如今,十个年头过去了,我们将2001 年至2010 年诺贝尔物理学奖的情况汇总,再次呈现给读者。     

诺贝尔物理学奖百年回顾(续)

（续前期） １９１１年 维恩（Ｗｉｌｈｅｌｍ Ｃａｒｌ Ｗｅｒｎｅｒ Ｏｔｔｏ Ｆｒｉｔｚ ＦｒｎａｚＷｉｅｎ １８６４－１９２８）因发现热辐射规律──维恩位移定律,建立黑体辐射的维恩公式,获得了１９１１年度诺贝尔物理学奖． １９世纪末,人们已经认识到热辐射和光辐射都是电磁波,并对辐射能量在不同频率范围内的分布问题,特别是黑体辐射,进行了较深入的理论和实验研究．维恩和拉梅尔（Ｏ．Ｌｕｍｍｅｒ）发明了第一个实用黑体──空腔发射作,为他们的实验研究提供了所需的“完全辐射”。维恩在前人研究的基础上于１８９３年…     

诺贝尔物理学奖百年回顾(续)

 （续前期）１９１１年维恩（ＷｉｌｈｅｌｍＣａｒｌＷｅｒｎｅｒＯｔｔｏＦｒｉｔｚＦｒｎａｚＷｉｅｎ１８６４－１９２８）因发现热辐射规律──维恩位移定律,建立黑体辐射的维恩公式,获得了１９１１年度诺贝尔物理学奖．１９世纪末,人们已经认识到热辐射和光辐射都是电磁波,并对辐射能量在不同频率范围内的分布问题,特别是黑体辐射,进行了较深入的理论和实验研究．维恩和拉梅尔（Ｏ．Ｌｕｍｍｅｒ）发明了第一个实用黑体──空腔发射作,为他们的实验研究提供了所需的“完全辐射”。维恩在前人研究的基础上于１８９３年提出了理想黑体辐射的位移定律：λｍａｘＴ＝常数。该定律指出,随着温度（Ｔ）的升高,与辐射能量     

中外星座文化漫谈(下)

1602 年,丹麦天文学家第谷恢复了被托勒密丢弃的后发座。在15 世纪末地理大发现时期,欧洲一些探险家到了非洲南端,17 世纪更开始了环绕地球的航行,人们逐渐认识了南天的星空。     

探索的历程——引力波的发现

正2016年11日是个值得纪念的日子,这一天美国科学家对外宣布探测到引力波,这是人类首次直接探测到了引力波,同时也验证了已有百年的爱因斯坦广义相对论预言的引力波的存在。这次成果是分别由位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到的。下面就让我们回顾一下围绕引力波发生的那些事……图1,1916年6月,爱因斯坦预测了宇宙中的涟漪。根据广义相对论,引力是质量巨大物体周围时空的扭曲。爱因斯坦认为时空会产生涟漪并产生"引力波"并以光