广义相对论与引力波

一、引力波的提出与早期争论

1.1 爱因斯坦的预言与反复

• 广义相对论于1915年发表。
• 1916年，爱因斯坦预言了引力波的存在，但其观点曾多次反复（认为有→没有→有）。

1.2 与《物理评论》的审稿风波

• 爱因斯坦将一篇关于引力波的稿件投给《物理评论》。
• 杂志社将稿件送交匿名同行评审（评审人实为宇宙学家罗伯森）。
• 罗伯森认为论文有误，并提交了10页的评审意见。
• 爱因斯坦对此非常不满，要求撤回稿件，并从此不再主动向《物理评论》投稿。
• 后来，爱因斯坦在朋友英菲尔德和罗伯森的帮助下发现了错误，修正后结论变为存在引力波。
• 该论文最终在其他期刊发表，并感谢了罗伯森和英菲尔德，但爱因斯坦至死不知当时的匿名审稿人就是罗伯森。

二、引力波的探测历程

2.1 间接证明（1970年代）

• 泰勒和休斯通过对脉冲双星PSR 1913+16的观测，发现其轨道周期每年减少约万分之一秒。
• 这一能量损失与广义相对论预言的引力波辐射能量相符。
• 计算中采用了朗道提出的引力场能量-动量赝张量公式（因其缺点相对最少）。
• 该发现为引力波的存在提供了间接证据。

2.2 直接探测（2015年）

• 2015年9月14日，LIGO探测器首次直接探测到引力波信号（编号GW150914）。
• 为慎重起见，于2016年2月正式公布。
  • 2015年是广义相对论发表100周年。
  • 2016年是爱因斯坦预言引力波100周年。
• 探测原理：利用迈克森干涉仪。引力波经过时会引起两个垂直的、数公里长的干涉臂发生极其微小的长度变化（约一个质子直径的千分之一），从而产生可观测的干涉条纹移动。
• 技术挑战：采用了让光在腔内反射以增加有效光程等技术。为避免地震等局部干扰，在美国东南部和西北部（华盛顿州）设置了两台相同的探测器，只有两地同时探测到的信号才被采信。
• 信号源分析：通过将探测到的波形与通过广义相对论计算出的海量（上万个）双黑洞/中子星并合模型进行比对，确定GW150914信号来源于13.4亿年前两个黑洞的并合。
  • 黑洞质量：36倍太阳质量与29倍太阳质量。
  • 并合后黑洞质量：约62倍太阳质量。
  • 损失的质量以引力波形式辐射出去。
• 意义：开辟了引力波天文学的新窗口。以往宇宙观测主要依赖电磁波（视觉），而引力波提供了全新的“听觉”感知方式。

2.3 后续重要探测事件

• GW151226 (2015.12.26)：第二次探测。
• GW170104 (2017.1.4)：第三次探测。
• GW170814 (2017.8.14)：由LIGO和欧洲Virgo探测器共同探测到。
• GW170817 (2017.8.17)：里程碑事件，首次探测到双中子星并合产生的引力波。
  • 多信使天文学：引力波信号后约1.7秒，探测到伽马射线暴；约11小时后，在同一方位观测到光学对应体（千新星）。
  • 该光学现象由中国天文学家李立新与其导师帕钦斯基预言，被称为“李-帕钦斯基星”。

三、宇宙学基本概念

3.1 宇宙的膨胀

• 观测事实：遥远星系普遍存在红移，表明宇宙正在膨胀（所有星系都在彼此远离）。
• 膨胀的本质：不是星系在静态空间中运动（多普勒效应），而是空间本身在拉伸，导致星系间的固有距离增加。
• 未来：现阶段宇宙在膨胀，未来可能永远膨胀、也可能收缩，目前尚无定论。

3.2 大爆炸模型

• 核心观点：宇宙起源于一个时空奇点。
• 关键纠正：大爆炸不是在预先存在的时空中某一点发生物质扩散。
  • 大爆炸之前，没有时间，也没有空间。
  • 大爆炸的瞬间，时间、空间和物质同时诞生。
  • 宇宙膨胀是空间本身的膨胀，任何时刻物质的分布在大尺度上都是均匀的，密度随体积增大而减小。

3.3 暗物质与暗能量

• 宇宙物质组成（近似）：
  • 普通（可见）物质：< 5%
  • 暗物质：~30%
  • 暗能量：~65%

暗物质

• 提出原因：解释星系旋转曲线等观测现象。可见物质产生的引力不足以维持星系外围天体的运动速度，推测存在大量不参与电磁相互作用的不可见物质。
• 特性：
  1. 产生引力效应。
  2. 对光透明（不吸光也不发光）。
  3. 参与引力成团，分布不均匀。
  4. 总量自宇宙诞生起基本保持不变，密度随宇宙膨胀而下降。

暗能量

• 提出原因：解释宇宙加速膨胀的观测事实（大约始于60亿年前）。需要引入一种具有负压强、产生排斥效应的成分。
• 特性：
  1. 产生负压强，导致宇宙加速膨胀。
  2. 对光透明。
  3. 均匀分布于全空间。
  4. 密度在宇宙膨胀过程中保持恒定，因此其总量越来越多，排斥效应越来越强。

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总结

本讲内容围绕广义相对论的两大预言展开：引力波和动态宇宙。

1. 引力波的提出历经波折，最终在20世纪70年代通过脉冲双星得到间接验证，并于2015年由LIGO实现直接探测，标志着多信使天文学新时代的开启。
2. 现代宇宙学观测表明宇宙正在膨胀，其起源源于大爆炸。当前宇宙的物质能量组分以暗物质和暗能量为主导（合计占95%以上），它们均不参与电磁作用，但暗物质通过引力成团，而暗能量以恒定密度均匀分布，驱动宇宙加速膨胀。这些仍是现代物理学的前沿与未解之谜。