李紫薇

摘要：在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。自此，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在而不断努力。引力波的发现是一个划时代的科学成就。

关键词：引力波、预言、探测

引言：

2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年12月26日03：38：53（UTC），位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号；这是继LIGO2015年9月14日探测到首个引力波信号之后，人类探测到的第二个引力波信号。2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

一、引力波的预测

1916 年，爱因斯坦发表了广义相对论，建立了引力场方程，开辟了近代物理研究的新纪元。在爱因斯坦引力场方程

中，Rμv是里奇张量，gμv是时空度规张量，Tμv是物质的能量—动量张量，它描写引力场源的能量和质量分布。

将广义相对论引力场方程与牛顿方程类比，可以得出引力势与度规的对应，从而得到广义相对论的三个重要预言：引力红移，光线在引力场中弯曲和水星近日点的进动。将广义相对论引力场与麦克斯韦电磁场类比导出对引力波的预言。

引力波所满足的方程可以从爱因斯坦引力场方程推导出来。在弱场近似（即忽略二阶以上的小量）情况下，背景度规为平直的闵可夫斯基度规，时空度规张量Rμv可写成闵可夫斯基度规ημv 加上一个小的微扰项hμv的形式，即

将它代入引力场方程且在真空情况下，此方程就变为

这就是大家熟悉的真空方程，该方程最简单的解就是平面波。利用横向无迹规范（TT规范）提取波函数的有物理效应而且与坐标系无关的分量，可以得出方程的解：

这是个横向传播的空间分量，它携带能量，也代表了时空的内禀自由度。

二、引力波的探测

100年前爱因斯坦广义相对论预言引力波。它可形象地看作弯曲时空中的涟漪；天体物理过程越激烈，引力波辐射越强。当引力波传播时，时空将在垂直于传播方向挤压和拉伸。一般要发现这种极其微小的变化是非常困难的。LIGO干涉仪臂长4km；2015年升级改造后非常灵敏，能够检测到比原子核尺寸小得多的臂长变化。通过分析LIGO记录到的数据，美国和欧洲的科学家们推断：已经成功探测到两个黑洞合并产生的引力波。这一对黑洞距地球约13亿光年；并合前约为太阳质量的36和29倍，并合后形成一个约62倍太阳质量黑洞。

几十年前人们还在激辩能否真实地探测到引力波。1957年理论物理学家Felix Pirani指出，存在引力波时近邻颗粒会相对加速，从而提供一种测量引力波的可行途径。遗憾的是，Pirani于2015年12月31日去世。上世纪70年代初，时任MIT的年轻教授Rainer Weiss在备课时注意到Pirani给出的引力波测量方案，并提出一个更新版本：用迈克尔逊干涉仪测量相位。这最终导致后来的LIGO项目；当然，包括Ronald Drever和Kip Thorne等在内的学者也做出关键贡献。2015年9月14日，LIGO升级后运行的头两天，研究人员就发现了显著的引力波信号，持续约0.2s。

成功探测引力波打开了人类认识宇宙的新窗口，进入“多信使天文学”时代。传统上人们通过接受电磁波和中微子提供的信息来研究天体物理过程。未来引力波带来的信息将丰富我们对宇观现象的认识：双黑洞合并引力波有助于检验黑洞物理和天体物理模型，而测得中子星——黑洞并合时释放的引力波可揭示核物质密度以上物质的状态。

三、发现引力波的过程

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。为什么引力波的发现如此重要？如此激动人心？除了发现引力波本来的科学意义以外，更是因为在探测引力波这条道路上，走的时间太长，付出的努力太多，承受的压力也太大。

从理论研究上来说，爱因斯坦发明广义相对论之后第2年就给出了引力波的线性近似解。但是在20世纪30年代他改变了想法，认为引力波在非线性完整理论下不存在，并撰写文章《引力波存在吗》投到Physical Review，他和Rosen得到的这个结论被审稿人指出是错的，但当时他听不进去，后来他最终发现确实是有问题，把结论又改回来，认为引力波还是存在的。但这并没有对引力波的真实性完全定论。Eddington在1922年就驳斥爱因斯坦最早的文章，称引力波不过是坐标波，没有物理意义。对这个问题的澄清直到1957年。那时，Pi-rani发现引力波可以以潮汐力的方式影響物体运动（遗憾的是Pirani在2015年底辞世。另一个差一点赶上LIGO结果发布的著名引力波相关学者是最早意识到可以用脉冲星计时探测引力波的Detweiler，在发布会前几日内逝世。另外还有一位值得提到的先驱是中国中山大学的陈嘉言教授，在1982年调试一个早一代的探测器时殉职）。之后Feymann又明确指出了这个潮汐力是可以做功的，所以引力波确实是真实物理的。但这并不意味着坐标波不能同时存在。至今，把坐标波从真正的引力波中剔除出去仍是数值和解析相对论需要处理的问题。

从实验方面来说，探测引力波的过程更加曲折。爱因斯坦曾认为引力波在现实世界中太小，因而不可能被观测到。当然他那时还不知道宇宙里真有黑洞和中子星这样奇妙的东西，所以后来很长时间里没有人去做实验找引力波，尽管这种波是相对论的重要预言。但在20 世纪60 年代，Weber想到了超新星暴发可能能产生出足以被观测到的引力波，还造了2个谐振金属柱来探测它，在1969 年，Weber宣称找到了引力波，但没有人能重复他的结果，他的实验精度也确实不太够，所以被普遍认为是个错误结论。尽管如此，Weber作为先驱者的贡献仍是不可磨灭的，在引力波发现的新闻发布会上他的工作被多次提到。错误探测这件事本身对引力波探测的影响也是不好的，因此LIGO特别小心，在进行观测之后没有立即公布原始数据（按照NSF的要求，原始数据最终将在严格分析后公布），从而影响人们对引力波探测的信任。另外能体现LIGO谨慎的事情是在最终分析完成之后，LIGO并没有急于发布，而是规规矩矩地按程序走完了Physical Review Letters的审稿过程，期间还应审稿人要求修改过一次稿件。在文章已刊登时，LIGO才发布新闻。整个过程的严谨的态度，值得每个科研者学习借鉴。

引力波探测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。

从1916年爱因斯坦提出存在引力波的预言，到2015年9月14日人类首次探测到引力波。百年间，为证明引力波存在的物理学家、天文学家不知凡几，而LIGO合作组能成功探测到引力波，其中的坚持、严谨也是每一个从事研究发现工作的科研人员应遵守的。

参考文献：

[1]朱宗宏，王运永.引力波的预言、探测和发现[J].物理，2016，45（05）：300-310.

[2]徐仁新，Emanuele Berti.首次测到引力波[J].物理，2016，45（03）：195.

[3]张帆，杨桓.引力波：一波多折[J].科技导报，2016，34（03）：61-62.

[4]人类首次发现双中子星碰撞出的引力波.凤凰网[引用日期2017-10-16]