激光干涉引力波探测专题·编者按

<正>引力波是广义相对论最重要的预言.引力波不被屏蔽,具有极强的穿透性,它可带来借助其他方法无法得到的,关于黑洞、致密星、星系核等的大量信息;它把对宇宙的观测推向暴涨阶段;它是在极高精度范围内检验广义相对论的探针.它还将在揭示引力场量子行为中起到不可或缺的重要作用.爱因斯坦在建立广义相对论后,很快就于1 9 1 6年提出了引力波的概念.然而,就连爱因斯坦本人也曾怀疑引力波能否被人类探测到.在经历了4 0多年的争论后才确认,引力波能够脱离源、携带能量在真空中传播,从而开启了引力波探测的大幕.     

引力波之谜(中)

正百年历程爱因斯坦起初预言有引力波时,大部分科学家持否定态度,认为引力波不存在,就连爱因斯坦本人也摇摆不定。但既然有可能,我们就应该去探索!那么,在人类历史上,谁第一个提出探测引力波的方案?爱因斯坦。1916年,爱因斯坦提出了一个探测引力波的方案,即旋转棒方案——让一根长20米、质量为500吨的钢棒以非常快的速度旋转。不过,这个方案存在两个缺陷:一是     

蔡荣根:探测到引力波的意义

 2016 年2 月11 日,也就是爱因斯坦预言引力波后100年,美国科学家宣布,他们利用激光干涉引力波天文台(ALIGO)于去年9 月首次探测到引力波。《科技导报》第一时间采访了中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根。     

封面图片说明

 2016年12月30日,中国科协发布了2016年度“十大科学传播时间”（按事件发生事件顺序）：1、人类2次探测到引力波,爱因斯坦预言被证实。     

非对称引力理论(NGT)概略

爱因斯坦的广义相对论自1916年创建以来经历了各种天文观测的检验而被人们认为是一种科学的、优美的引力理论。近二十年来,广义相对论得到了蓬勃的发展。中子星的形成和结构的研究,黑洞物理和黑洞的探测,引力辐射理论和引力波的探测,大爆炸宇宙学……成了它的广阔的应用领域。广义相对论作为一种引力理论本身也在发展。人们相信所有的物理场从根本上说应当用量子理论来描述。然而广义相对论却是一个纯经典的理论,因为在广义相对论的框架中可观测量——特别是度规张量——总是有确定的值的。过去的四十多     

科学是永无止境的前沿

<正>北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,架设在南极的宇宙微波背景辐射探测器BICEP2捕捉到了宇宙暴涨时期遗留下来的宇宙原初引力波。这是爱因斯坦提出了相对论以来,人类首次直接探测到的引力波信号。这一发现无疑进一步夯实了爱因斯坦的广义相对论和量子理论这两大现代物理学理论的基础。多年以来,包括欧空局的普朗克卫星在内的全球多个天文台都在寻找原初引力波,然而这一次还是     

风乍起,吹皱一池春水——爱因斯坦预言百年的引力波来了

 春天来了,风从东方来,也从太空来,吹皱了时空的涟漪。LIGO收到了引力波迟来的问候,恰好是引力波百年生日的礼物--爱因斯坦最早预言引力波就在1916 年2 月与史瓦西(KarlSchwarzschild)的通信中。然而,爱因斯坦对引力波是否存在,一直都很纠结。在1916年6月发表的第一篇引力波论文^[1]里,他认为:“在所有能想得到的情况下,引力波的辐射都可以忽略。”在这一点上,他显然不像对光线偏折和水星轨道进动那么重视,而且他也没有把引力波作为广义相对论(GR)的基本实验证据--在GR 的第一篇完整论文里,他只列了3个实验:引力红移,光线弯曲和行星轨道的进动^[2]。当然,那时他可能没想到引力波是真实的物理效应,因为两年后他才计算了引力波的能量流^[3]。     

从量子论到玻色-爱因斯坦统计

爱因斯坦对量子论的理论基础及其应用作了大量工作,玻色将对称性概念引入统计方法,他们是量子统计理论的先驱;特别是爱因斯坦对玻色-爱因斯坦凝聚的预言形成了凝聚态物理新的前沿方向.     

引力波爆发事件的电磁对应体的探测

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO第一次直接探测到,开启了探索宇宙的一个崭新的窗口.伴随着Advanced LIGO科学运行期的继续运行,以及未来几年其他第二代探测器,例如Advanced Virgo,LIGO-India的陆续建设和投入使用,将有越来越多的引力波信号被探测到.最新的双中子星并合引力波事件的电磁对应体被探测到,极大地丰富了引力波天文学的科学内容,人类进入全新的多信使天文时代,例如:提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计,确定引力波源的红移、破除引力波模型中的简并参数,确定引力波事件前身天体的物理环境以及其产生的物理机制、测量宇宙学参数等等.由于引力波探测器的定位能力较差(Advanced LIGO~十至几百平方度),探测引力波事件电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求.爱因斯坦探针具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优势,特别是其大视场和高灵敏度,为引力波事件电磁对应体的探测提供了一个理想的观测平台.爱因斯坦探针的成功运行,将促进引力波天文学和引力波宇宙学的发展,并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面处于国际领先的地位.     

空间引力波探测方案的探讨

 2016年2月12日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和美国国家科学基金会联合宣布，2015年9月14日在美国的两个地面站同时观测到引力波，即GW150914事件。至今已观测到6次引力波事件，其中欧洲引力波天文台（VIR-GO）参加了第4次事件（GW170814），使分辨率提高了10倍。地面引力波探测的成果不仅验证了百年前广义相对论所预言的引力波，发展了理论物理的引力理论，而且开辟了引力波天文学的新领域。     

Quantum criticality

As we mark the centenary of Albert Einstein's seminal contribution to both quantum mechanics and special relativity, we approach another anniversary--that of Einstein's foundation of the quantum theory of solids. But 100 years on, the same experimental measurement that puzzled Einstein and his contemporaries is forcing us to question our understanding of how quantum matter transforms at ultra-low temperatures.     

关于Einstein-Rosen柱面引力波

在Ｖｉｅｒｂｅｉｎ 表述的局域Ｌｏｒｅｎｔｚ群引力规范理论框架下,给出了Ｅｉｎ－ｓｔｅｉｎ－Ｒｏｓｅｎ 严格柱面引力波的能量动量、功率流密度和辐射总功率的严格表达式．讨论了波的各部分之间的互作用     

自发吸收原理

依据爱因斯坦关于辐射的量子理论的结论,基于对电磁能量放大现象、受激吸收、自发辐射以及受激辐射的研究,并结合随机电动力学理论,提出并论证了时空量子的受激辐射和自发吸收原理,认为"激发电磁能与自发吸收的时空能之和等于总的电磁能"。     

一种标——张量引力理论的引力波辐射

本文通过一种单位变换导出了文献[4]提出的标—张量引力理论方案的另一种表述形式,由此得到的引力场张量方程和守恒律完全类似广义相对论的Einstein方程和守恒律;变换后的标量场视为“物质场”,在张量方程中起着一种“引力源”的作用。应用变换后的理论表述研究引力辐射问题,其结果是引力场的总辐射强度为引力张量场和引力标量场的辐射强度之和。求出了引力张量场和引力标量场的辐射强度公式,详细地讨论了双星的引力波辐射。     

Active terahertz metamaterial devices

The development of artificially structured electromagnetic materials, termed metamaterials, has led to the realization of phenomena that cannot be obtained with natural materials. This is especially important for the technologically relevant terahertz (1 THz = 10(12) Hz) frequency regime; many materials inherently do not respond to THz radiation, and the tools that are necessary to construct devices operating within this range-sources, lenses, switches, modulators and detectors-largely do not exist. Considerable efforts are underway to fill this 'THz gap' in view of the useful potential applications of THz radiation. Moderate progress has been made in THz generation and detection; THz quantum cascade lasers are a recent example. However, techniques to control and manipulate THz waves are lagging behind. Here we demonstrate an active metamaterial device capable of efficient real-time control and manipulation of THz radiation. The device consists of an array of gold electric resonator elements (the metamaterial) fabricated on a semiconductor substrate. The metamaterial array and substrate together effectively form a Schottky diode, which enables modulation of THz transmission by 50 per cent, an order of magnitude improvement over existing devices.     

“大爆炸宇宙学”批评

大爆炸宇宙创生理论是以天文学家Hubble的观测为基础的,他声称已发现那些遥远的天体正远离我们而去。此即Hubble氏的宇宙扩张理论。但该理论的证据并不充分,是主观想像。宇宙爆炸理论的另一重要证据是微波背景辐射的测量数据,但它并不表示微波背景辐射温度数据一定是一次爆炸后的结果。把它看成一次原初大爆炸的余烬是勉强的。按照宇宙的定义,人们无法谈论“宇宙寿命”,只可能谈论诸如“地球的寿命”、“太阳系的寿命”和“星系的寿命”。因此我们反对不靠谱的大爆炸宇宙学,因该理论体系漏洞百出,在科学上和在哲学上均不能成立。
　　虽然宇宙中看来充满难于解释的力,暗物质和暗能量仍然只是两个假设。另一个假说是存在引力波,但也只是估计,实际情况可能不同。在Newton理论中引力速度是无限大,但在Einstein理论中引力传播速度和引力波波速都是光速c。广义相对论( GR)认为引力与电磁力不同,是弯曲时空的纯几何效应。但现在应思索某些不同的引力模型,例如把引力重新当作平直时空中的自然界的力的传播,从而又研究得出引力速度大于2×1010 c( c是真空中光速)。虽然超光速的引力传播违反Einstein的狭义相对论( SR),却符合Lorentz的相对性理论( LR)。
　　在美国,一个宇宙学家团队在2014年3月的一次新闻发布会上宣布,他们探测到了宇宙大爆炸之后最初瞬间所产生的引力波,从而导致宇宙的起源再次成为重大新闻。根据BICEP2南极望远镜团队的信息,其结果被誉为大爆炸暴涨理论及其后续理论(多元宇宙)的证明。该成果问鼎Nobel奖也在预测之中。 BICEP2团队在其宇宙微波背景辐射极化图像中,确定了一个扭曲( B模式)图案,绪论是检测到原始的引力波。但在后来数月中,由来自Prin-ceton大学和也在Princeton高等研究所的科学家们进行了认真的重新分析,其结论是BICEP2的B模式模型给出的大部分或全部最显著效应没有来自引力波的任何贡献。这种突然逆转应该让科学界认真考虑未来的宇宙学实验和理论。 BICEP2事件也揭示了一个关于暴涨理论的真相;很清楚,暴涨范式是根本无法检验的,并因此在科学上是毫无意义的。     

引力波和电磁场作用中扰动光子流的接收面

根据弯曲时空中的电动力学,引力波和电磁场相互作用时将产生扰动电磁场.在特定的电磁系统中,即一个在静磁场中传播的高斯光束,如果入射引力波和高斯光束同频并且沿着高斯光束的对称轴Z方向传播,则高斯光束将和产生的扰动电磁场发生最佳同步谐振,导致沿高斯光束电场方向仅仅存在扰动光子流,即扰动电磁能流.详细计算和分析了扰动光子流的一些典型空间分布,找到了一个扰动光子流可能的最佳接收面.计算表明,它接收到的扰动光子流可望达到104s-1量级.这对高频引力波的探测将提供一个新的理论依据.     

爱因斯坦及其对物理学的贡献

对爱因斯坦的生平及其对物理学的重要贡献进行了介绍，回顾了相对论与量子论创立的主要过程，阐述了爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家和思想家，他以相对论和量子论这两大划时代的科学贡献奠定了现代物理学的理论基础，全面更新了人类对时间和空间、物质和能量的看法；其科学思想与哲学思想丰富了人类的思想宝库，他的人道与正义、怀疑与批判的进取精神以及高山景行的人格，为学界树立了良好的道德风范．     

爱因斯坦的思想方法

爱因斯坦及其科学成就是上一个世纪的奇迹.其对于现代物理学,甚至人类社会的影响无疑是巨大和深远的.追寻爱因斯坦相对论基本假说建立的思想轨迹,探寻引导爱因斯坦作出杰出科学贡献的思想方法,对于我们更好的认识和尊重自然规律具有指导意义.