1 引力波的理论预言及其特性
赫维赛德基于引力和电磁力都是平方反比力以及电磁波的物理特性早在1893 年就提出了引力波的概念。庞加莱于1905 年进一步指出了引力波以光速传播。1915 年年底爱因斯坦给出了引力场所满足的相对论场方程—爱因斯坦场方程,并且于1916 年对爱因斯坦场方程在平直时空背景下做线性近似,推导出了引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式,从而预言了引力波的存在及引力波以光速传播。
赫维赛德。图片来源网络
庞加莱。图片来源网络 遗憾的是爱因斯坦在1916 年的推导中犯了一个错误,从而错误地预言引力波存在三个自由度,即三个偏振方向。一年半之后的1918 年爱因斯坦纠正了这个错误,正确地指出引力波只有两个独立自由度,即两个偏振方向(属于横波),并计算了引力波辐射的能量。
和经典电磁辐射是由电荷加速运动所产生的机制类似,爱因斯坦的四极矩公式告诉我们加速运动的物体会产生引力波。如果一个系统的质量分布不对称地运动,那么时空变形就会以波纹的形式向外传播,这就是引力波。
引力波在本质上不同于我们熟悉的电磁波,由加速运动物体产生的引力波是时空纤维本身的波。由于电荷守恒定律,电磁辐射最低阶是偶极矩辐射。而能量守恒、动量守恒及角动量守恒定律则要求引力辐射最低阶是四极辐射,即典型的引力波源为类似转动哑铃的双星系统。因此,那些球对称的引力效应不会产生引力辐射,如超新星的完美球对称坍缩不会产生任何波。而非球状的塌缩则会辐射引力波,所以双星系统会辐射引力波。由于引力波的强度为物体运动速度与光速之比的五次方(υ5/c5),因而其强度极小,非常难探测,所以在爱因斯坦提出引力波之后的几十年间有关引力波的理论研究并不多。
2 引力波是否存在的争论
引力波是否存在一直是一个有争议的问题,甚至爱因斯坦自己都怀疑引力波的存在。1936 年爱因斯坦和他的助手罗森写了一篇引力波不存在的论文(题目是“引力波存在吗”)投稿到美国《物理评论》,编辑部依据匿名审稿人的审稿意见拒绝发表该文;后来爱因斯坦接受了他在普林斯顿大学的好友罗伯森的意见改写了论文(并修改了引力波不存在的错误结论,但是他并不知道罗伯森其实就是匿名审稿人),题目也改为《论引力波》并在富兰克林学院学报上发表。
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为了理解引力辐射问题,人们发展了不同的近似方法。19