引力的前世今生

 从牛顿万有引力公式到爱因斯坦的广义相对论,人们对引力的认识经历了一个曲折的过程。随着今天引力波的发现,让我们回顾一下在这一个世纪里人们对引力发展的认识过程^[1]。     

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。     

引力波标准汽笛与宇宙学

双中子星并合的引力波暴GW170817及其多波段电磁对应的发现标志着多信使引力波天文学时代的来临.通过引力波探测器对致密双星并合产生的引力波波型的观测可以独立测量波源的光度距离,这预示着引力波源可以作为"标准汽笛"来研究宇宙的膨胀历史,从而提供了一种研究宇宙学的新途径.本文介绍利用引力波"标准汽笛"来限制宇宙学参数的基本原理,着重讨论各种确定波源距离和红移的方法.同时讨论地基第二代和第三代引力波探测器,以及空间引力波探测器对宇宙学参数,特别是哈勃常数和暗能量参数的限制能力.     

两种引力观:地球引力效应及其内涵探析

以"苹果落地"等地球引力现象为例,通过对照牛顿力学引力观与广义相对论引力观,进一步剖析和揭示两个理论体系的引力内涵,结果诠释了牛顿近似及其意义.     

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.     

引力波及探测雏议

本文扼要论述引力波及其产生的机理，对当代引力波的探测进行简要评述，指出引力波探测的前景和引力波研究的重要意义。     

贝叶斯引力波多信使天文学

对于双黑洞、双中子星并合引力波及其电磁对应体、宿主星系的观测开启了引力波多信使天文学时代.本文简要介绍引力波、电磁对应体、宿主星系联合观测在提高信号探测效率、增加对波源物理性质的理解、挖掘波源群族性质等方面的基本概念,重点介绍一个贝叶斯引力波天文学框架处理上述问题的方法和此框架在引力波-宿主星系、引力波-短伽玛暴联合观测方面的应用.     

引力物理的现在和未来

引力普适性引力物理学是物理学各个分支中历史最长的一个。从牛顿发表《自然哲学的数学原理》算起,已经有301年的历史了。实际上,在牛顿之前,为了解释行星为什么绕着太阳旋转,早已有人提出太阳对行星有吸引力。牛顿的贡献首先在于认识到引力具有普适性,或万有性,即:任何物体无例外地都参与引力相互作用。牛顿意识到引力万有性,是在1684年底。该年11月,在《原理》的前身《论运动》的初稿中,牛顿还只考虑太阳对行星的引力,并没有考虑任何其他物体的引力。即认为,只有太阳有引力,     

再议“万有引力”及其他

牛顿提出"万有引力"已三百多年,但是,在"物"中并没有找到牛顿的引力;牛顿认为太阳系是一架永动机,这说法不对。天文学中另一个权威是"广义相对论",它的"纯相对"与"时间是空间的第四维"等说法也是错的。     

对角度规谐和条件下不存在引力辐射和引力波

证明了在对角度规谐和条件下,在不存在引力辐射和引力波,并对Ｂｏｎｄｉ引力平面波和引以立波进了讨论。     

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.     

袋模型下奇异星的非牛顿引力效应

该文研究标准袋模型奇异星在考虑非牛顿引力效应下的结构和性质.文章结果显示,对于标准袋模型描述的奇异物质,随着重子数密度的增大,非牛顿引力效应的修正项能量密度越大;非牛顿引力效应的引入使物态变硬,而且较大的非牛顿引力参数g2/2对应较硬的物态方程;非牛顿引力效应的引入有效地增大了星体能支撑的最大质量并且当非牛顿引力参数g...     

关于地球引力波物理机制的理论概述与验证方法

本文依据德布罗意物质波动理论,并以地球的实际运动状态选择相关的参数计算地球引力波的波频数值,从地球引力波波频数值的计算过程中推得地球引力波形成的物理机制,依据地球引力波形成的物理机制设计制造了地球引力波探测器,最后根据探测实验结果概括得到：地球自身的相对三维运动是形成地球引力波的物理机制。     

高频引力波的电磁响应

综述了可能存在的高频引力波源,列举了高频引力波电磁响应的几种具体形式,重点介绍了高频电磁波束对引力波的电磁响应及使用该方法探测高频引力波的现实性.     

高频引力波的电磁响应

综述了可能存在的高频引力波源，列举了高频引力波电磁响应的几种具体形式，重点介绍了高频电磁波束对引力波的电磁响应及使用该方法探测高频引力波的现实性．     

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.     

引力学的近期发展

本书是2002年5月30日至6月2日在希腊亚里斯多德大学召开的“第十次相对论讨论会”的会议论文集，包括主要专家在全体会议上的讲演，内容涉及：布兰尼世界宇宙论、辐射时空、引力波检测、伽玛射线爆发和量子论引力。全书可．以由3个广泛的学科组成：宇宙论和布兰尼引力；数学相对论和天体物理相对论；引力波检测。     

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。     

一类引力波的能量动量

给出了一般对角度规引力波广义协变的能量动量表达式，讨论了引力纵波，横波和引力孤立波的能量动量。     

引力波与电磁场的相互作用

J.M.Charap,M.J.Dnff曾经研究场——米尔斯场中的引力效应,本文从弯曲时空的电磁场方程出发,给出了一个自对偶解,说明在引力波作用下重直于引力波传播方向的电场分量将受到引力波的调制,调制度由引力波的振幅决定,并且将绕引力波传播方向偏转,偏转角由时空弯曲性质决定。两个行于引力波传播方向的电场分量则不受影响。磁场也有类似变化。