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]。     

宇宙探索者阿尔伯特·爱因斯坦

正提到阿尔伯特·爱因斯坦这个名字,想必很多人都不会陌生。这位科学奇人曾多次出现在人们的视线里,在他的时代,同时也在我们当下的时代。而最近,引力波的发现又再次证明了当年这位疯狂理论家的论点属实,于是这个在科学界一直揭开未知,又点醒人们去发现更多未知的名字,又一次如同回音般穿梭到公众视野。     

时空涟漪或启宇宙之门——LIGO宣布直接探测到引力波

 北京时间2016年2月11日23:40左右,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人David Reitze宣布人类首次直接探测到了引力波,整个科学界为之沸腾,时空的涟漪回荡在世界的每个角落。时值Albert Einstein在《广义相对论》引力辐射理论中预测到引力波的存在100周年,如果探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。     

数值相对论与引力波天文学

引力波直接探测已经被LIGO成功实现.在这个重大实验发现中,理论模型的重要作用得到充分体现.有效单体数值相对论模型不仅提升了既定硬件的灵敏度,把实验结果的置信度从4.6σ加强到5.1σ,而且还辨认出该引力波源是并合双黑洞.以这次实验结果所给出的双星并合事件率推断,地面引力波探测器接下来还会给出更多的引力波事件.这些引力波实验数据可以被用来进行天文学和基本物理学的研究.随着数据的积累和新脉冲星的加入,脉冲星计时计划的引力波探测精度也越来越高.空间引力波探测计划包括eLISA、太极和天琴等也在积极准备中.可以预期,引力波天文学将逐渐形成.在引力波天文学中,从信号读取到参数反演都离不开理论模型.不做任何解析近似的数值相对论是现实引力波源建模的通用工具.爱因斯坦方程的复杂数学结构和所需的庞大程序构架是数值相对论的两大困难.结合引力波天文学,本文对数值相对论的关键困难、发展历程、研究现状和在引力天文学中的应用等给出比较系统的描述.     

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     

对引力波概念的理论质疑

2016年2月11日美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布,它于2015年9月14日探测到引力波,说这是两个黑洞合并造成的,收到的波形与广义相对论(GR)的预测一致。以后又有几次宣布,例如2017年10月16日说已第5次探测到引力波,而这是由于两个中子星的合并。2017年10月3日Nobel奖委员会宣布,LIGO的3位美国科学家获得当年的Nobel物理奖。然而一直有不同国家(德国、巴西、英国、丹麦、中国)的科学家提出质疑,认为LIGO不可能探测到引力波,甚至向Nobel奖委员会发电子邮件,详述他们的反对理由。本文认为是基本的物理原理决定了引力波不能存在,从理论层面详述了该课题不可信的原因。Einstein的引力场、引力波理论的公式推导,明显地有借鉴和模仿电磁场、电磁波理论的痕迹,因此我们可以遵循电磁理论的逻辑对前者提出批评。任何人如认定引力波存在,那么他要先证明引力场是旋量场。我认为Newton万有引力定律与Coulomb静电力定律的相似已证明引力场是静态场,而引力和静电力都以超光速传播的事实进一步证明了这点。引力场既然是静态的无旋场,是不会有引力波的。我认为"引力传播速度和引力波速度都是光速"的观点是完全错误的,不仅不符合事实,而且把引力相互作用和电磁相互作用混为一谈。"引力速度"与"引力波速度"是不同的概念。很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多(v_G≥c),他们普遍认为引力如以有限速度(光速c)传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定。相对论者坚持说"引力以光速传播"是为了替SR辩护,因为该理论认为超光速没有存在的可能,然而这已被事实所否定。Einstein引力场方程是GR理论的基本方程,但它的推导有假设和拼凑的作法。引力场的物理效果被认定由Riemann空间的度规张量体现,需要知道度规场分布的规律。但由于没有可作依据的实际观测知识,推导引力场方程就用猜测性的推理。尽管引力场方程被导出,但它非常复杂且有高度非线性,实际上不可解。然而,一个无法求解的方程是对人类无用的东西,因此Einstein通过弱场近似导出引力波。这是尽力模仿电磁理论的作法。但这并不合理,连LIGO也说在有剧烈天文现象发生时才迅速地有引力波产生,这可不是弱场,与理论前提相矛盾。总之,Einstein引力场方程的非线性造成无波动解。当前西方理论物理界乱象频生,黑洞的有无、暗能量和暗物质是否存在,都在无休止地争论。在本文中我们呼吁重建经典力学的时空观,提出"牛顿仍称百世师"。Newton引力理论经过了漫长时间的考验,它对人类极为有用。因此,本文批评了Minkowski的时空一体化。此外,还批评了LIGO所采用的数值相对论方法。最终的结论是:引力波是一个无意义的概念,缺乏物理实在性且造成误导。     

引力波探测器联网的定位能力

引力波是爱因斯坦最重要的预言之一,是检验广义相对论正确性的重要工具.引力波理论及其探测一直以来都是理论物理学家和实验物理学家感兴趣的研究领域.事实上,随着科学技术的发展,人类已经具备了建造极度灵敏的地面探测器以及空间探测器的能力,直接探测引力波已经成为现实.2015年9月14日,LIGO首次直接探测到引力波,该信号源自一次双黑洞并合事件,自此人类进入引力波常规化探测阶段,终于拉开了引力波天文学时代的序幕.地面引力波探测器最主要的波源是处于旋近和并合阶段的致密双星.如果在探测到这些波源所辐射出的引力波信号的同时,又能观测到波源对应的电磁波信号,那么引力波信号和电磁波信号可以相互补充,形成新的观测模式.然而单个地面引力波探测器很难准确地探测引力波信号,也不能进行波源精确定位,将多个探测器联网组合,这样既能准确探测引力波信号,又能大幅提高引力波波源的定位精度.本文中,首先介绍探测器联网对引力波信号GW150914源的定位情况,然后介绍了两种最常用的估计定位精度的方法,即马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)的方法和解析的方法.最后,选用一种解析的方法讨论未来中国引力波探测器与日本及澳大利亚所组成的探测器网络的定位精度,并给出了中国的较优台址.最后,还讨论了中国加入世界引力波探测器网络行列对引力波波源定位的贡献.     

引力波远场初级近似解

引力波求解是相当繁难的,仿照电动力学势多极展开的方法,求小区域源分布引力波低级近似解,在教学上较易对学生有启发.一一个系统,质量分布发生变化,它将对引力场产生一个扰动,这个扰动在空间的传播就是引力波.理论上由弱场近似可以得到波方程.     

图片新闻

正2016年2月11日,美国国家科学基金会宣布:人类首次直接探测到了引力波。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的2颗黑洞在合并的最后阶段产生的。2颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了1颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达地球,被美国"激光干涉引力波天文台"(LIGO)的2台孪生引力波探测器探测到。     

引力波之谜(上)

正时空"涟漪"华盛顿时间2016年2月11日,美国引力波观测台的科学家向全世界宣布:引力波终于被探测到了!这在世界科学史上具有划时代的意义。尽管各种报道铺天盖地,但朋友们可能对引力波还比较陌生。今天,我先给大家介绍一下什么是引力波。在讲引力波之前,我来说说什么是引力。引力又称万有引力,是牛顿发现的。关于牛顿     

引力波:一波多折

 2016年2月11日,LIGO科学联盟执行主任David Reitze宣布:我们已经探测到了引力波,我们终于做到了。发布会其间,美国国家科学基金会(NSF)主任France Córdova 和会场外经历无数风雨的重要科学家都近乎热泪盈眶。为什么这个发现如此激动人心？除了明显的科学意义以外,更是因为这件事的艰巨程度是前所未有的。不只是参与的科学家,连提供资金支持的NSF 都是在巨大的压力下,坚持30 多年才成功探测到引力波。这些都值得我们表达最衷心的敬意。     

分赫兹引力波探测助推双中子星并合的多信使研究

作为目前唯一一例人类明确探测到引力波信号及成协电磁对应体的双中子星并合事件, GW170817的发现提供了诸多天体物理过程与现象的关键信息,标志着多信使天文学新时代的开启.但地基引力波探测设备的探测灵敏频段较高,为双中子星并合事件提供引力波预警信号的能力有限.因此,我们考虑利用空间分赫兹引力波探测器为人们提供足够长时标的引力波信号预警,以实现后随电磁搜寻设备对并合事件的及时响应.在假定四年任务运行周期的条件下,本文重点展示了两类空间分赫兹引力波探测器(B-DECIGO和DO-Conservative)定位双中子星并合事件天区及并合时间的能力.对于在探测器开始运行后1–4年内并合的事件,探测器提供的空间、时间定位的预期结果最好,分别可达ΔΩ～10^–2deg²和Δt_c～0.2 s.围绕因双中子星并合而产生的各类电磁暂现事件,我们针对高能辐射、紫外-光学-近红外辐射、射电辐射等举例讨论了可能的天体物理过程,以及利用空间分赫兹引力波探测器实现多信使预警探测的独特优势与未来展望.     

弹性天线本征频率温度效应的研究

引力波弹性天线的本征频率与温度有关,一般是温度上升频率减小.由于共振型天线的Q 值很高,频带很窄,天线环境温度的少许变化必然会使本征频率漂移,从而导致天线的失调.另一方面,也可以利用天线的环境温度控制它的本征频率,使它在一定范围内调谐,以跟踪探测某些预期在一个小范围内变频的引力波.例如来自蟹状星云中心脉冲星的引力波,由于辐射阻尼和地球公转与自转的都普勒效应,它的频率在60.2Hz 附近一小范围内变化,就可以通过控制天线周围环境温度,使天线的频率在这个范围内不断调谐,跟踪探测.     

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.     

球状星闭中的引力辐射

估算了球状星团４７Ｔｃａｎａｃ中由脉冲星自转所辐射的高频引力波和由双星绕转所辐射的低频引力波的总功率、地面流量以及谱分布。最后，讨论了探测的可行性。     

引力波之谜(下)

正探测意义为什么我们要花费这么多人力、物力、财力去探测引力波?探测引力波的意义非常重大。英国著名理论物理学家霍金曾说":引力波为人们提供了一种看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。"资助引力波探测的美国国家科学基金会的负责人柯多瓦也说过这样一段话:"如同伽     

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     

诚实人

从前,有一个爱说老实话的人,什么事情他都照实说,所以,他不管到哪儿,都被人赶走。最后,他来到一座修道院,指望着能被收容。修道院长问他从哪儿来,到这儿来干什么,为什么穷到这种地步。诚实人答道:“我很穷,我很不幸,因为我在任何时候都只说实话。就因为这个,我到哪儿都被人赶走。看来,谁都不喜欢爱说实话的人。”“唉!”修道院长说:“并不是所有的人都像你所见到的那样。喏,你瞧,我就热爱真理,并且尊重那些说实话的人。因此,我要把你留在我的修道院里,你就在这儿呆着吧!什么也用不着操心。”修道院里有几头已经不顶用的牲口,院长就把诚实人…     

原初引力波发现尚待验证

 2014年3月17日,美国哈佛大学史密森天体物理中心John Kovac 等人（BI-CEP2团队）召开发布会,宣布首次在宇宙微波背景辐射中找到由引力波留下的B模式极化信号。被誉为“时空涟漪,大爆炸回响”的原初引力波被认为是人类迄今为止可以捕捉到的来自最早宇宙--约138亿年前的信号。     

球状星团中的引力辐射

估算了球状星团４７Ｔｕｃａｎａｃ中由脉冲星自转所辐射的高频引力波和由双星绕转所辐射的低频引力波的总功率、地面流量以及谱分布．最后，讨论了探测的可行性．