引力波

引力波

(Redirected from 重力波(相对论))

本文介绍的是相对论中的引力波。关于流体力学中的重力波，详见“重力波(流体力学)”。

在物理学中，引力波指时空曲率中以波的形式从射源向外传播的扰动，这种波会以引力辐射的形式传递能量。阿尔伯特·爱因斯坦根据他的广义相对论[1]，于1916年预言了引力波的存在[2]。理论上可以被探测到的引力波射源包括由白矮星、中子星或黑洞组成的联星系统。引力波现象是广义相对论的局域洛伦兹协变性的结果之一，因为它限制了相互作用的传播速度。相反，牛顿引力理论中的相互作用都以无限的速度传播，所以在这一理论下并不存在引力波。

科学家已通过各种间接方法发现了引力辐射的证据。例如，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯－泰勒脉冲双星在互相公转时逐渐靠近，这为引力辐射的存在提供了证据；两人因这项发现于1993年获得了诺贝尔物理学奖。

[3]科学家也利用引力波探测器来观测引力波现象，如简称LIGO的激光干涉引力波天文台。2014年3月17日，哈佛－史密松天体物理中心的天文学家宣布利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到引力波的效应，一经证实，这将成为宇宙暴胀和大爆炸理论的强烈证据。

概述

爱因斯坦广义相对论所描述的引力，是时空曲率所产生的一种现象。质量可以导致这种曲率。当物质在时空中运动时，附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播。这一传播现象就是引力波。[7][8]

当引力波通过远处的观测者时，观测者会发现时空被扭曲了。两个自由物体之间的距离会有节奏地波动，频率与引力波相同。然而，在这一过程中，这两个自由物体并没有受力，座标位置也没有变化；改变的，是时空座标本身的距离。在观测者处的引力波强度和与波源间的距离呈反比。根据预测，螺旋形靠近的中子双星系统由于质量高、加速度高，因此在合并时会发射出强大的引力波。但是因为天文距离尺度之大，就算是最激烈的事件所产生的引力波，在到达地球后效应已变得极低，其应变的数量级低于10?21分之一。[9]为了探测到这种细微的变化，科学家不断增加探测器的灵敏度。截至2012年，最为敏感的探测器位于LIGO和VIRGO天文台，灵敏度高达5×1022分之一。[10]这些天文台未能探测到引力波，这为这种引力波的频率设下了上限。欧洲空间局正在研发一座用来探测引力波的空间天文台，激光干涉空间天线。

线性偏振引力波

引力波能够穿透电磁波所无法穿透的空间。科学家推测，引力波能够帮助了解位于宇宙远处的各种天体，例如黑洞。这类天体无法用光学望远镜和射电望远镜等传统方式观测。宇宙学家还能够利用引力波来观测宇宙最早期状态。传统的天文学方法无法用来直接观测早期宇宙，因为在复合之前，宇宙无法被电磁波所穿透。[13]对引力波更精确的测量还能进一步验证广义相对论。

引力波理论上可以取任何频率，但极低频率几乎无法探测，而极高频率也没有可观测的已知波源。史蒂芬·霍金和维尔纳·伊斯雷尔（Werner Israel）预测，可以被探测到的引力波频率在10?7 Hz和1011 Hz之间。

引力波通过时的效应

一个由粒子组成的环在十字型偏振引力波下的作用

一个由粒子组成的环在交叉型偏振引力波下的作用

要了解引力波通过观测者时的作用，可以想像一个完全平坦的时空区域，里面有一组静止的试验粒子形成一个平面。当引力波沿着垂直于该平面的方向通过这些粒子的时候，它们就会随着扭曲了的时空而“十字形”摆动（见右边动画）。试验粒子所包围之面积不变，而且粒子不会沿波传播的方向运动。当横向粒子距离最大时，纵向的粒子距离就最小；相反，横向离子距离最小时，纵向粒子距离就最大。

动画大大夸大了粒子的摆动，引力波的振幅实际上是非常小的。两个质量互相作圆周轨道运动，就可以产生这种效果。在这种情况下，引力波的振幅不变，但其偏振平面会以公转周期的两倍旋转。所以引力波大小（周期性时空应变）会随时间改变，如动画所示。如果轨道呈椭圆形，则振幅本身也会随时间变化。

正如其他波一样，引力波也有几项特征属性：

?振幅：通常记作h，描述波大小的一个无量纲量，是两个粒子间距离的最大挤压度占原距离的比例。[注1]动画中的振幅大约为h=0.5。两个黑洞合并时所产生的引力波在通过地球时，振幅只有h~10?21

?频率：通常记作f，波振动的频率（1除以两次最大挤压之间的时间间隔）。

?波长：通常记作λ，波的两个最大挤压处之间的空间间隔。

?速度：波传播的速度。在广义相对论中，引力波以光速c传播。

从这些量可以算出，引力波的光度为一个关于四极矩的三阶时间导数的函数。

引力波的速度、波长和频率之间的关系为c = λf，这与电磁波的对应方程相同。例如，动画中的粒子大约每2秒摆动一次，即频率为0.5 Hz，波长约为600,000 km，即大约地球直径的47倍。

以上例子假设了波具有“十字型”线性偏振，记作。和光波的偏振不同的是，引力波的偏振之间呈45度角，而非90度。如果偏振为“交叉型”，那么试验粒子的波动十分相似，只是方向旋转了45度，正如第二幅动画所示。和光波一样，引力波偏振还可以以圆偏振波表示。引力波的偏振取决于波源的性质和角度。

振幅上限的估算

一个典型系统的四极矩分量具有的量级，这里M是系统的质量，R是系统的尺寸半径，因此可以认为这一分量对时间的二阶导数具有的量级，其中是系统内部引起引力辐射的运动速度的平方。则代入四极矩公式可得辐射的引力波强度为

。

注意到这里就是波源外部距离为r处的牛顿引力势，引力波强度与外部引力势的比值为

。

根据自引力系统的位力定理，这个比值不能大于波源内部牛顿引力势的最大值。这样得到了一个很方便实用的估算引力波振幅上限的方法：

。

对于一个在室女座星系团内放出引力辐射的中子星，可估算出其引力辐射的上限为5×10-22。几十年来，科学家都利用这种方法来估算引力波探测器灵敏度的最低要求。

频率上限的估算

对某些特殊的引力波源而言，其引力辐射频率是受波源运动直接制约的，例如一个自转的脉冲星的引力辐射频率是其自转频率的两倍。但对大多数双星系统，引力辐射频率和其自然频率相关，自然频率定义为

这里是波源的能量-质量的平均密度。对双星系统这个频率和其轨道频率有相同的数量级。

很显然波源的质量M和尺寸半径R决定了它的自然频率，对球体而言有。对一个质量为1.4倍太阳

质量，半径为10千米的中子星，其自然频率为1.9千赫兹；对一个质量为10倍太阳质量，视界半径为30千米的黑洞，其自然频率为1千赫兹；而对于质量为2.5×106倍太阳质量，位于银河系中心的超大质量黑洞，其自然频率为4毫赫兹，因为其密度反而更低。从自然频率估计的引力辐射频率一般来说在数量级上是正确的，本质上是一个快捷但很粗略的估计，得到是其真实频率的上限。

引力波源

LIGO和LISA主要探测的波源频域分布。横轴为频率，纵轴为引力波振幅。

引力波的产生，是因为非对称的运动造成了四极矩随时间变化。笼统的说法是，只要一个系统在运动时轮廓变化了，就能够生成引力波。例如，一支铅笔的旋转会否产生引力波，要看其旋转轴：沿着铅笔则无，垂直于铅笔则有。另一个简单的例子是哑铃的旋转。如果哑铃的两端好像两个天体互相公转（即旋转轴垂直于连接哑铃两端的把手），它就会产生引力波。如果哑铃的两端质量极高，就可以模拟中子星或黑洞双星系统。非对称系统的质量越高，运动速度越高，其散发的引力波就会越强。

引力波的频率取决于动态系统的特征时间尺度。对于双星系统，两个天体相互公转的频率就是引力波的频率。引力波源一般以频带分类。1至10 kHz的归为高频波源，来自于中子双星、双黑洞、超新星等等，这一频率段在地基引力波探测器的侦测精度范围以内。1 mHz至1 Hz的归为低频波源，来自于超重黑洞、矮双星、白矮双星等等，能用太空激光干涉仪和航天器多普勒跟踪方法来侦测。1 nHz至1 mHz的归为甚低频波源，来自于超重黑洞、宇宙弦尖点（cosmic string cusp）等等，这是脉冲星计时实验所研究的频带。最后10?18至10?15 Hz的归为极低频波源，对应于宇宙微波背景中所能探测到的引力波特征。

双星系统

双星系统绕质心运动的示意图，在牛顿力学中这个轨道总是稳定的，但在相对论力学下引力辐射会造成轨道的缓慢收缩

能够辐射可观测量级引力波的密近双星系统包括白矮星、中子星和黑洞等致密恒星组成的双星系统，例如黑洞双星、黑洞-中子星、双中子星、双白矮星等等。它们具有很大且随时间变化的四极矩，对LIGO等地面探测器和空间探测器LISA而言都是重要的引力波源，也是至今唯一由间接观测证实的引力波源（脉冲双星系统PSR 1913+16）。从总体上看，双星系统的引力辐射过程实际是一个双星逐渐接近结合的过程，这一过程按顺序分为旋近、合并、自转减缓三相。

引力辐射会使在旋近态中的双星损失动能，造成其轨道以很缓慢的速度发生衰减，两颗恒星逐渐接近。换句话说，它们发生引力辐射的时间尺度远大于其公转周期，因此这一过程被认为是绝热的，最常用的预测波形的方法是后牛顿近似方法。从引力波的频率估算方法可知，双星系统的辐射频率与其自身密度的平方根成正比关系。地面探测器可探测的双星包括中子星和恒星质量黑洞，LISA则负责探测白矮星等未知双星和超大质量黑洞。

轨道运动辐射的能量会造成轨道的收缩，其结果是观测到发射的引力波频率随时间增长，这种波叫做啁啾（chirp）信号。如果能够观测到啁啾的时间尺度，就可以推算出双星的啁啾质量[注2]；进而可以从啁啾质量和观测到的引力波振幅推算出双星到地球的距离，这意味着将有可能进一步借此测量哈勃常数和其他宇宙学常数。

随着双星系统的轨道衰减逐渐加快，绝热近似不再适用，这样双星系统进入合并态：两颗恒星接近后发生猛烈的接触合并成一个黑洞，并有相当部分的质量以引力波的形式释放（但也有很大一部分质量由于角动量守恒的制约无法离开黑洞视界，从而在黑洞附近形成吸积盘，一般说法认为这有可能会导致伽玛射线暴的形成），这里后牛顿近似方法不适用（参见恒星质量黑洞一节）；这个合并形成的黑洞随后进入自转减缓态，随着引力辐射黑洞的自转频率逐渐降低，最后稳定成一个克尔黑洞。

本质上，双中子星在宇宙中的数量相对稀少，在可观测的范围内它们的数量要少于中子星-白矮星组成的双星系统，更少于宇宙中广泛存在的低频（10?5至10?1 Hz）的双白矮星系统。这些双白矮星在数量上和寿命上都要远大于像PSR B1913+16这样处于轨道收缩态的双中子星。这是由于大多数恒星都具有较小的质量，而大多数恒星又都是双星。据估计，LISA有可能发现上千个这样的双白矮星系统，其发现概率远大于地面探测器对双中子星的探测期望。不过事实上，银河系内太多的双白矮星系统会形成频率低于1毫赫兹的背景噪声，这种背景噪声叫做“迷惑噪声”，它将高于LISA本身的仪器噪声，但这些噪声不会影响对较强的黑洞信号的探测。而河外星系的双白矮星则由于振幅太低，尽管也能够形成高至1赫兹频率的背景噪声，其程度仍然远在LISA的仪器噪声之下。

脉冲星

对于一颗独立自转的中子星（脉冲星）而言，要成为引力波射源，其质量（或质量流）分布必须存在不对称性。非对称性的来源机制包括两类。

第一种情形是相对于星体固定的非对称性，可能的机制包括：

●星体本身即是非完全对称的类球体（例如球状星团Terzan 5内部的脉冲星PSR J1748-2446ad，自转频率716

赫兹，是已知自转最快的脉冲星[31]）

●脉冲星的磁场方向与其自转轴方向不一致（例如PSR 1828-11）

●恒星吸积导致的非对称性（典型例子即低质量X射线双星，例如天鹅座X-1）

现在一般认为中子星的壳层不足以支持质量超过10?5倍太阳质量的非对称性。例如，根据估算，LIGO的预期波源PSR J2124-3358的非对称性上限占总质量的1.1×10-7。从这一点估算出的自转减慢态的时间尺度比实际长得太多。因此看来引力辐射并不足以成为中子星自转减慢的主要原因。以蟹状星云内部的年轻脉冲星PSR J0534+2200为例，其非对称性小于总质量的3×10-4，引力波的振幅上限约为6×10-25；而对于较老的毫秒脉冲星，非对称性只

有总质量的10?9左右，如果距离地球1秒差距，估算得到的振幅上限量级为10?28。虽然这些典型的振幅都远低于LIGO的灵敏度，但只要长时间进行测量，就可以找到其对应的相关信号。

第二种情形是非对称的部分相对于星体是运动的，典型的例子即是中子星r模式的不稳定性，也被称作中子星上的罗斯比波（Rossby Wave），这个名称来源于其机制类似于地球表面的科里奥利力。这种情形下，理论计算所得的引力辐射频率为自转频率的4/3倍。

引力坍缩和伽玛射线暴

中子星的形成来源于超新星的引力坍缩，超新星内核的坍缩速率可达每秒七万千米。这种引力坍缩并不是高度对称的，这一点已经在对超新星SN 1987A的观测中得到证实。因此这种引力坍缩会产生一种持续时间很短且无周期性的引力波突发信号，并伴随电子捕获和中微子输运的过程。但引力辐射的波形和振幅都很难从理论上预测，一般认为只能运用数值模拟的方法。这种突发信号的频带可能很宽，中心频率在1千赫兹；或者有可能是在100赫兹到10千赫兹之间任意一个频率的周期性啁啾信号。理论上估计，如果在室女座星系团之内发生超新星坍缩，而且其发射的能量要大于0.01倍太阳质量，那么现在的地面探测器就有可能观测到这类事件。但事实上到底有多大比例的能量以辐射的方式释放出来仍然是一个未能解决的问题，现在一般认为辐射能量不会超过超新星总质量的10?6，当前的引力波探测器还没有能力探测到河外星系内的超新星爆发。这类事件在银河系内的发生概率大概有几十年一次，根据计算，来自10千秒差距外引力坍缩的引力辐射振幅约为10?20，持续时间为几个毫秒。新一代地面探测器的灵敏度应该可以达到相应的水平。

伽玛射线暴是短时间（几毫秒至几分钟）内极高强度的伽玛射线辐射突然爆发事件，按持续时间分为长短两类。根据大多数观测所得出的结论来看，伽玛射线暴很可能是高速自转的黑洞诞生时所产生的。果真如此的话，相对于引力坍缩来说，这种高速自转的非对称性结构会形成高度稳定的引力辐射，因而有可能在观测到其电磁辐射爆发的同时探测到相应的引力辐射。不过这种事件应该并不多见，所以需要一个很广的观测距离（至少约3吉秒差距），以及相当比例的辐射能量。然而，2007年2月发生了一次来自仙女座星系方向的GRB 070201短伽玛射线暴，而LIGO 并没有探测到引力辐射的存在。这可能是因为GRB 070201发生地点比仙女座星系更为遥远，但也可能暗示伽玛射线暴并非源于黑洞或中子星的形成过程，而是来自如磁星这样带有极强磁场的软伽玛射线复发源。

恒星质量黑洞

天文学家现在认识到宇宙中存在数量丰富的黑洞，根据质量可分为恒星质量黑洞和位于河外星系中心的超大质量黑洞。这两类黑洞的质量非常不同，因此它们的引力辐射的机制和频率存在很大差别：恒星质量黑洞一般具有10倍左右太阳质量，形成于红巨星或超新星爆发时内部的引力坍缩；大质量和超大质量黑洞的质量则在105至1010倍太阳质量范围内，其形成机制至今还不十分清楚。黑洞双星的自然频率和其质量成反比。这表明恒星质量黑洞的引力波频率在地面探测器的侦测范围内，而超大质量黑洞的引力波只能用LISA这样的空间探测器捕捉到。

NASA超级计算机模拟得到的黑洞双星开始合并的情形

恒星质量黑洞的引力辐射一般认为来源于双星系统（其中至少有一个是黑洞）的旋近-合并-自转减缓这一系列过程，这和双中子星等其他双星系统的引力波辐射机制是相同的。在旋近态中，两个黑洞的距离相当远（），并以很缓慢的速度逐渐接近。这时和所有双星系统一样，后牛顿近似完全足够解决此类问题。不过当黑洞双星的距离逐渐拉近，直到其轨道缩减为最内稳定圆轨道（Innermost Stable Circular Orbit，简称ISCO）时，黑洞掉入彼此的事件视界之内，双星从旋近态向合并态转变。这种相变完全是一种相对论性效应，因此后牛顿近似在这里完全不适用。黑洞的合并必然会伴随著引力波信号的突然发射，目前这种信号只能采用数值相对论模拟的方法来分析，并且有很多实际计算上的困难。而且对于质量超过50倍太阳质量的黑洞，旋近态终止时的频率是最后稳定轨道的公转频率，这个值大概只有黑洞自然频率的0.06倍，约30赫兹。这个频率已经接近地面探测器的低频极限，即使仅是探测到此类事件也需要对波形进行一些预测，因而黑洞合并数值模拟的结果对这种引力波的探测有重要意义。合并后系统进入自转减缓态，两个黑洞的视界合并成一个，黑洞双星以类似阻尼振动的形式放出引力辐射，逐渐稳定为一个单独的克尔黑洞，此过程的时空度规可以用对克尔时空的线性微扰理论解出。自转减缓态的一个特征是它具有在数学上为复数的自转频率，即复数频率的实部是特征频率，虚部是阻尼因子。理论上克尔黑洞的质量和角动量完全决定了所有可能的复数频率，这些频率是离散的并且有无穷多个，统称为黑洞的准简正模式（Quasi-normal modes），而黑洞的自转则可用这些准简正模式的线性叠加来描述。

虽然宇宙间黑洞的数量要低于中子星，但据估计在空间尺度上两个黑洞构成的双星系统数量反而要比中子星的双星系统多，主要是因为中子星的双星系统相对黑洞双星系统而言不容易形成。有说法认为球状星团是以高效率形成黑洞双星的地方，如果事实如此，那么宇宙间黑洞双星的数量可能会比中子星双星的数量高十倍左右。由于球状星团内部的黑洞质量大于恒星的平均质量，黑洞会逐渐向星团中心运动，在中心三体的相互作用是双星形成的主要机制。值得注意的是，这类双星系统与球状星团的引力束缚并不强，其结果就是双星有可能脱离星团开始独立演化，其稳定时间一般在1010年之内。现在的研究对于恒星质量黑洞的合并几率还不很确定，但一般认为在15兆秒差距的范围内每年至少会发生几次。

大质量和超大质量黑洞

哈勃太空望远镜拍摄的双天线星系，星系的碰撞很有可能导致其中心超大质量黑洞的合并

来自大质量和超大质量黑洞（即“星系质量”）的引力辐射存在两种形式：一种是超大质量黑洞的合并，另一种情形是大质量黑洞对小质量致密天体的俘获所释放的引力辐射。两者的合并模式不同，因此所发出的引力波形、理论的预测能力以及侦测方法都有所不同。

星系合并

参见：超大质量黑洞

两个超大质量黑洞的合并，就是恒星质量黑洞合并的加强版。由于参与的质量很大，其引力辐射的频率很低，但振幅却相当高。因为有效信号振幅和黑洞质量基本成近似线性关系，在相同距离下质量为106倍太阳质量的大质量黑洞的引力辐射振幅约为10倍太阳质量的黑洞引力辐射的105倍（h ~ 10?17）。这意味着空间探测器对于这类信号会具有非常高的信噪比，无论这类波源位于宇宙间哪个角落。现在一般认为在大多数星系中心都存在质量至少在106倍太阳质量以上的大质量或超大质量黑洞，并有证据表明超大质量黑洞的质量与其宿主星系核的质量成正比关系。与恒星不同的是，星系之间发生碰撞的概率相当高，例如蛇夫座的星系碰撞残留物NGC 6240，当中含有两个分别来自原星系的超大质量黑洞。在两个星系合并后，两者中心的黑洞会逐渐向新形成的星系中心漂移并最终发生碰撞，这一机制说明宇宙间超大质量黑洞合并的几率是相当高的。

极端质量比例旋

小质量致密天体与星系中心的大质量黑洞形成的EMRI是LISA重要的探测波源之一

主条目：极端质量比例旋

超大质量黑洞与白矮星、中子星、恒星质量黑洞和中等质量黑洞等较小质量致密天体合并，这被称作极端质量比例旋（Extreme Mass Ratio Inspiral，简称EMRI）。当一个致密星体碰巧接近星系中心的超大质量黑洞时它有可能被俘获，在围绕着超大质量黑洞公转的同时放出引力辐射，因此这也是一种旋近态。不过由于两者质量比例悬殊，这种旋近态的变化比一般的双星系统更为缓慢，从观测的角度来说，这意味着可以用长达数年的时间观测到同一种波形。这种引力辐射可近似为从一个克尔黑洞附近的一个质点放射出的啁啾信号，而质点的轨道有可能是高度偏心的（偏心率接近1）。随着引力辐射系统动能不断减少，这使得轨道的偏心率逐渐降低，在旋近态的后期有可能降低到0.4左右，在这段时间内EMRI的辐射频率稳定在LISA的测量频域之内。其波形包含了黑洞附近的时空几何信息，尤其有可能通过对黑洞质量和自旋的观测来验证黑洞无毛定理。

EMRI的发生率与星系的构成方式关系不大，所以LISA在一年的时间内有能力观测到这类事件上百次。距离最近的事件有可能在红移小于0.1之内，前提是理论研究能够对质点运动的轨道在数十个周期内做出较为精确的预测。但在理论上预测这种轨道并不那么容易，主要原因在于围绕克尔黑洞的高度偏心轨道有可能是混沌的，如果质点的运动轨迹远离黑洞的赤道平面轨道将变得非常复杂，有可能在整个视界内高速游荡。想要准确预测数十个周期内的轨道运动，需要定义好的初始条件以及多达14个用来区分不同运动且足够精确的参数，这就导致探测筛选这种信号需要一组数量非常庞大的波形模板，完全计算这些模板甚至超越了现有计算机的计算能力，这导致单纯的模式匹配算法很可能并不适用于此。至今最常见的EMRI波形的数值解法是由康乃尔大学的索尔·图科斯基（Saul Teukolsky）于1970年代创立的图科斯基方程。

基于暴胀理论的星系起源，星系起源于最初质量密度的微扰，而这些微扰形成了今天的引力随机背景辐射

引力波自诞生起在宇宙中的传播至今就几乎没有衰减或散射，从引力子的角度看，是因为引力子具有非常小的散射截面。宇宙微波背景辐射揭示了大爆炸之后105年的宇宙状况，对太初核合成的研究揭示了大爆炸之后几分钟内的宇宙状况，而引力波的诞生则可以追溯到大爆炸之后小于10?24秒的时间范围之内。对这种引力随机背景辐射（stochastic background radiation）的观测是引力波天文学最重要的课题之一。

与一般情形下的引力波用平均振幅描述不同，引力波的随机背景辐射通常用波场的能量密度描述，这种随机背景辐射可以来自任何天体（例如双白矮星等双星发出的迷惑噪声），也可以来自大爆炸。对于宇宙学中的场，一般要将这个场的能量密度归一化到宇宙的临界密度[注3]。尽管现在还不确定引力波场的能量密度的具体数值，但在当代宇宙学的框架下，背景辐射的能量密度受到太初核合成、微波背景辐射以及脉冲星计时的约束：太高的能流密度会破坏太初核合成理论的成立，太高的能量涨落则与实际各向异性非常小的微波背景辐射不符，而对毫秒脉冲星计时的观测证实了引力波的背景辐射强度不足以高到使脉冲星信号间隔发生可观测变化的程度。

在描述早期宇宙的暴胀模型中，引力子在普朗克时期内产生，并有可能按照引力场和其他场的自由度均分，这就形成了其温度相当于微波背景辐射的引力波的热背景辐射。其后宇宙进入暴胀时期，暴胀对最初质量密度的形成提供了足够大的微扰，这种机制使星系能够形成。而这些微扰则以引力场微扰的形式传播至整个宇宙形成了随机背景辐射。引力波形成的随机背景辐射被认为是各向同性、静态且无偏振的。而暴胀理论预言下的频谱是平坦的，即能量密度与频率无关。宇宙背景探测者（COBE）通过对微波背景辐射的观测得到在频率为10?18赫兹处的能量密度上限为3×10-14。如果暴胀理论是正确的，这意味着对所有频率的背景辐射都具有相同的能量密度。这样低的能量密度导致现有的任何探测器都无法捕捉到暴胀的引力波信号。在不同于暴胀的其他模型下，例如宇宙弦（cosmic string）的振动也会产生能量密度与频率无关的引力辐射，而宇宙弦预言下的能量密度达到了当前可观测的量级。

对于这种信号LIGO在频率100赫兹的灵敏度为10?5，但通过对两个探测器（例如LHO和LLO，或者LIGO和VIRGO，GEO600等）符合测量得到的结果进行互相关计算可提高到10?6，因此互相关是搜寻此信号的重要手段。而Advanced LIGO在这个频率上的灵敏度预计可达到10?9；LISA在频率1毫赫兹的灵敏度可达10?8，但在实际观测中能否达到这个数值取决于双白矮星等产生的背景噪声是否会将随机宇宙背景辐射淹没。除此之外，r模式的中子星、双中子星和黑洞以及某些超新星爆发都有可能将频率高于0.1毫赫兹的宇宙背景辐射淹没。一般认为来自双星的背景噪声在低于10微赫兹的频率下快速降低，因此微赫兹量级的空间探测器可能是探测宇宙随机背景辐射的最佳手段。

引力波天文学

主条目：引力波天文学

引力波天文学自20世纪中叶以来逐渐兴起，与传统的电磁波天文学不同的是，它通过测量引力波来研究各类相对

论性天体及宇宙现象。引力相互作用对于电磁相互作用来说极为微弱，所以它的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。1916年阿尔伯特·爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言了引力波的存在，但至今引力波仍未能

在实验上直接被检测到。然而通过各种间接手段，科学家已经为引力波的实际存在定下了强大的理论和实验基础。最著名的例子是普林斯顿大学的拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒所发现的赫尔斯－泰勒脉冲双星（PSR 1913+16）。这一系统的相互旋近现象是引力辐射能够使系统能量衰减的最佳证据，而两人也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。2014年3月17日，哈佛－史密松天体物理中心的天文学家宣布利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到B模偏振，一经证实，除了有助证明引力波的存在之外，还将同时为宇宙暴胀和大爆炸理论提供强烈的证据。截至2014年3月，这项研究仍待同行评审。[73][74]引力波的探测技术研究已经取得了相当的成果，研究人员预测很可能在不远的将来能够实现对引力波的直接探测。

引力波和电磁波所携带的有关波源的信息非常不同。引力波与波源整体的宏观运动直接相关，而非像电磁波一样来自于单个原子或电子的运动之叠加。例如对于一个双星系统，对引力波偏振的测量可以让科学家得知其轨道倾斜度，而这类有关波源运动的宏观信息是无法从电磁辐射观测中取得的。引力波波长一般是波源尺寸的几个数量级以内，而不像电磁波一样波长比波源尺寸小很多。这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相，而是类似声波直接从波形分析波源的性质。许多引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），反之亦然。由于暗物质占星系物质的绝大部份，而且不发出任何电磁波，所以引力波天文学对这些暗物质的观测和研究具有重要意义。引力波的另一特点在于它几乎不与物质进行相互作用。来自远方天体甚至是宇宙诞生时所产生的引力波至今几乎没有发生衰减或散射，这意味着引力波可以作为研究宇宙深处的重要工具。宇宙形成后38万年，电磁波才开始能够穿透宇宙的物质，因此在这一堵“墻”以前的宇宙是无法通过电磁波来直接观测的，引力波也就成为了直接观测大爆炸的仅有工具。

探测器

主条目：引力波探测器

剧烈事件所发出的引力波经过天文距离，在到达地球后，强度已降至很低的水平，振幅的数量级在10?21以下。再

加上各种来自仪器内外的噪声，实际引力波信号的探测变得非常困难。因此在探测引力波时，仪器须有极高的精确度和降噪能力。

第一架实际投入应用的引力波探测器是1960年代美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）制造的铝质实心圆柱，通常称为共振质量探测器或棒状探测器。各国科学家利用该探测器，并没有取得能令人信服的引力波信号证据。

1970年代后，同样来自韦伯的激光干涉引力波探测器开始兴起。随着激光和镜面工艺的进步，这种新型的大型引

力波探测器在世界各地甚至计划在太空建造起来，包括：激光干涉引力波天文台（LIGO）、GEO600、TAMA300、VIRGO以及还有美国和欧洲合作计划中的激光干涉空间天线等等。截至2012年，最为敏感的探测器位于LIGO和VIRGO天文台，灵敏度高达5×1022分之一。

迈克耳孙干涉仪应用激光光束来测量两条相垂直的干涉臂的长度差变化，可以说是最直接的引力波探测器。最大的激光干涉引力波天文台LIGO主要由加州理工学院和麻省理工学院负责运行，也是美国国家科学基金会资助的最大科研项目之一。其精确度数量级已经达到10?22。VIRGO位于意大利比萨附近，是一架双臂长度为3千米的地面激光干涉探测器，自2007年起开始进行科学观测，并具有和LIGO相媲美的灵敏度。GEO600位于德国汉诺威，双臂长度为600米，其工作带宽为50赫兹至1.5千赫兹。一个称为Einstein@Home（爱因斯坦在你家）的分布式计算计划使公众能在个人电脑上通过此软件帮助分析LIGO和GEO600所采集的脉冲星数据。

为了避免地球上众多的噪声来源，可通过人造卫星和航天器以高精度测量引力波。例如，科学家通过监测行星际航天器（如围绕木星和土星的航天器）的通信信号返回时间来观测引力波的特征影响。欧洲空间局正在研究中的LISA

项目将由三个相同的航天器组成一个边长为500万公里的等边三角形，整体沿地球轨道绕太阳公转。这个系统会监测引力波通过任意一个组成卫星时所造成的激光干涉上的变化。

许多脉冲星可以作为极为精确的时钟。低频引力波通过地球时会造成时空扰动，使地球上的时钟和脉冲星的计时之间产生偏差。科学家由此已经推导出一些有关随机背景引力波的信息。

理论

线性爱因斯坦方程

引力波——时空的波纹（示意图）

广义相对论预言下的引力波是以波形式传播的时空扰动，被形象地称为“时空涟漪”。广义相对论下的弱引力场可写作对平直时空的线性微扰：（以下采用自然单位，引力常数G和光速c都设为1）

，其中

这里是平直时空的闵可夫斯基度规，是弱引力场带来的微扰。在这个度规下计

算得到的黎曼张量为

爱因斯坦张量为

这里，，被称作迹反转度规微扰（trace-reverse metric perturbation）。

如果采用洛伦茨规范，爱因斯坦张量的后三项将为零，这里洛伦茨规范的形式为

事实上总可以选择这样的规范条件，并且洛伦茨规范不是唯一的，意味着坐标在一个无穷小的线性坐标变换下仍满足洛伦茨规范，关于这一点请参考有关规范变换的内容。

在洛伦茨规范下，爱因斯坦张量为

代入爱因斯坦引力场方程，

这个方程又叫弱引力场中的线性爱因斯坦方程。在远源（）的情形下，得到带有达朗贝尔算符的四维波方程：

引力波的传播

上面波方程的一般解为如下本征函数的线性叠加：

其中是四维振幅，是四维波矢，满足条件

，这表明引力波传播经过的测地线是零性的，即其传播速度是光速。

四维波矢，其中是波的角频率，是经典的三维波矢。由于洛伦茨规范并不唯一，此时坐标还不是完全确定的。如果再加上条件：

第一个条件表示引力波张量中所有与时间t有关的分量都为零，第二个条件表示引力波张量矩阵的迹为零。因此这

组规范条件叫做转置无迹规范（transverse traceless gauge），简称TT规范。在TT规范下，。由洛伦茨规范和TT规范共同决定下的引力波张量只有两个分量是独立的，它们实际对应着引力波的两种偏振态。对于在z方向传播的波矢，这两个振动分量垂直于传播方向，这表明引力波和电磁波一样是横波，其张量形式写作

，

其中和分别为引力波的“十字型”和“交叉型”两种偏振态，上文引力波通过时的效应一段的两幅动画示意了两种偏振各自不同的振动形式。

引力波的辐射

有源的线性爱因斯坦方程解释了波源的运动如何产生引力辐射：

类似用泊松方程求解牛顿引力势，运用格林函数可得到带有推迟势的一般解：

这里所处在的时间是，表示引力波从源点传播到场点经过了时间为的延迟。

在远场近似和长波极限下，格林函数解近似为

其中标量是源点到场点的距离。

相对论中波源的质能守恒和动量守恒合起来写作

因此动量-能量张量中的（质量-能量密度）和其他所有和时间t有关的分量（动量密度）对时间的偏导数都为零，代入后方程的解可进一步化简为

这即是引力辐射的四极矩近似公式，描述了一个弱相对论系统引力辐射的最基本情形。其中描述了波源的质量-能量分布

这里张量即是系统的质量四极矩（转动惯量张量），而是波源的质量-能量密度，积分范围是整个波源内部。

四极矩公式的物理意义是引力辐射起始于随时间二阶变化（例如谐振）的四极矩，这一点与电磁辐射不同：电磁辐射起始于随时间二阶变化的偶极矩。这一区别的来源是：一个随时间二阶变化的电偶极矩或磁偶极矩对应着电荷密度中心的振动，这一振动是随意不受限制的；而一个随时间二阶变化的质量的偶极矩对应着质心的振动，这一振动不能满足动量守恒定律，因此不存在这样对时间二阶偏导不为零的质量偶极矩。由于四极矩是偶极矩的更高阶项，这也是引力辐射要远弱于电磁辐射的原因。

引力波的能量

四极矩近似下引力波的光度（总辐射功率）为

这里Q是张量矩阵的迹。引力波的能量通量（单位面积的辐射功率）近似为

这里f是单色引力波的频率。

假设对于一束频率为1000赫兹，到达地球时的应力强度的引力波，可得其能量通量约为

，这比满月时地球上接收到的电磁辐射的能量通量还要大两倍，是全天最亮的恒星天狼星到达地球的电磁辐射能量的约一万倍。这表明引力波实际可以携带很大的能量，但与物质相互作用力非常小，这才是引力波难以被探测的根本原因。

注释

假设有两个距离为L的自由落体，引力波的振幅定义为两者间的距离变化占原距离的比例?L/L。振幅与波源四极矩的二阶时间导数成正比。

啁啾质量定义为，其中μ是系统的折合质量，而M则是总质量。

由此定义

这个量描述了随机引力波的能量密度按频率分布情况，则引力背景辐射的总能流密度由对从频率0至正无穷的积分给出。是弗里德曼方程下得到的宇宙临界密度值；H是哈勃常数，如果以千米/秒·兆秒差距为单位，现在一般认为这个值在50到65之间。

引力波的发现历程

引力波的发现历程 班级：12级物理一班 姓名：陈昊昱 学号：1207020008 摘要：引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成为天体物理学的一个重要前沿课题。 关键字：引力波(gravitational waves) 广义相对论电磁波 一、引力波初期探索 牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。 其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。 这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。 根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。 在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛

顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。 虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜 爱因斯坦认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。 二、引力波检测的开拓者 爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系引力物质的质量与时空“弯曲”的程度、性质之间的桥粱。 爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整阊的“弯曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。 当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引

宇宙学之引力波简谈

宇宙学之引力波简谈 从爱因斯坦预言引力波，至今的一百多年里，科学家们从来没停止过对引力波的探索。到20世纪60年代，引力波探索先驱韦伯提出了一种共振型引力波探测器，为世界上最早的引力波探测器，后来人们发展出了以激光干涉仪为原理的探测器，代表就是美国的LIGO 和欧洲的VIRGO。庞大的LIGO，每条“腿”都有4000米长，前后每次升级已经花费了几十亿美金，人类如此大动作要探测的引力波，到底能给我们带来什么？ 首先，对科学家来说，是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。引力波最吸引人的地方是，它可以被用作窥探宇宙深处的工具，是科学家观测宇宙的眼睛。由于有不衰减的特性，它所携带的关于波源的信息，能帮人类洞悉整个宇宙的源头。那对我们普通人来说，至少引力波让我们知道了黄金是怎么来的…… 引力波是爱因斯坦在广义相对论中的一大预言，是指物质加速运动所带来的时空扰动，也称“时空的涟漪”。在广义相对论中，万有引力是由质量对时空的弯曲所造成的，质量越大，时空就弯曲得越厉害。那“时空的弯曲”是指什么呢？我们平时看到的空间，貌似是平直的，但真实的情况却是扭曲的，宛若哈哈镜一般。如果我们将宇宙时空想象成一个大蹦床，在没有任何扰动的情况下，它是平坦的。一旦有质量的物体出现时，比如一个小球，或者是像地球这样的庞然大物，它都会变得弯曲，只不过，这种弯曲对生活在这个宇宙大蹦床上的微小生物来说，是无法感受得到的，不是由于我们跟蹦床一起弯曲了，而是因为这种弯曲实在太微小，我们完全感受不到。如果这个大质量物体发生变化，比如小球蹦走了，或者是地球爆炸了，这个大蹦床依然在震动，那这种震动就是引力波！引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是对引力波另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射。 因为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，因此引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。引力波的发现为人类提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。 引力波的探测也是困难重重，早在20世纪70年代中期，科学家Rainer Weiss分析了干扰测量的背景噪声的可能来源，并且还设计了一种检测器，一种基于激光的干涉仪，可以克服这种噪音。引力波（重力波）以光速传播，充满了宇宙，正如爱因斯坦在广义相对

2018年高考全国卷Ⅰ物理部分(解析版)

2018年普通高等学校招生全国统一考试 新课标Ⅰ卷理科综合能力测试物理部分 一、选择题：本题共8小题，每小题6分。在每小题给出的四个选项中，第1~5题只有一项符合题目要求，第6~8题有多项符合题目要求。全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分。 1. 高铁列车在启动阶段的运动可看作初速度为零的匀加速直线运动，在启动阶段列车的动能 A. 与它所经历的时间成正比 B. 与它的位移成正比 C. 与它的速度成正比 D. 与它的动量成正比 答案：B 试题解析：根据初速度为零的匀变速直线运动的规律可知，在启动阶段，列车的速度与时间成正比，即，由动能公式，可知列车动能与速度的二次方成正比，与时间的二次方成正比，选项A、C错误；由，可知列车动能与位移x成正比，选项B正确；由动量公式p=mv，可知列车动能，即与列车动量的二次方成正比，选项D错误。 命题意图：本题考查匀变速直线运动的规律、动能、动量。 难度：0.73 2. 如图，轻弹簧的下端固定在水平桌面上，上端放有物块P，系统处于静止状态，现用一竖直向上的力F作用在P上，使其向上做匀加速直线运动，以x表示P离开静止位置的位移，在弹簧恢复原长前，下列表示F和x之间关系的图像可能正确的是

A. B. C. D. 答案：A 试题解析：在弹簧恢复原长前，物块受力如图所示，设物块的加速度大小为a， ；设弹簧原长为l0，劲度系数为k，则根据牛顿第二定律有 弹簧 ，所以，故选A。 则 弹簧 命题意图：本题结合弹簧的动力学问题，考查牛顿第二定律、胡克定律。 难度：0.62 3. 如图，三个固定的带电小球a、b和c，相互间的距离分别为ab=5cm，bc=3cm，ca=4cm。小球c所受库仑力的合力的方向平衡于a、b的连线。设小球a、b所带电荷量的比值的绝对值为k，则

2020年高三二轮复习强基础专题十五：物理学史及研究方法(解析版)

强基础专题十五：物理学史及研究方法 1.许多科学家在物理学发展过程中做出了重要贡献，下列叙述中符合物理学史实的是 A. 奥斯特发现了电流的磁效应，并总结出了右手定则 B. 牛顿提出了万有引力定律，并通过实验测出了万有引力恒量 C. 伽利略通过理想斜面实验，提出了力是维持物体运动状态的原因 D. 库仑在前人的基础上，通过实验得到真空中点电荷相互作用规律 2.在物理学发展的过程中，许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程。在对以下几位物理学家的叙述中，符合历史的说法是 A. 牛顿发现了万有引力定律 B. 在对自由落体运动的研究中，伽利略猜想运动速度与下落时间成正比，并直接用实验进行验证 C. 牛顿应用“理想斜面实验”推翻了亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的观点 D. 亚里士多德最早指出了“力不是维持物体运动的原因” 3.关于物理学研究方法和物理学史，下列说法正确的是 A. 在推导匀变速直线运动位移公式时，把整个运动过程划分成很多小段，每一小段近似看作匀速直线运动，然后把各小段的位移相加，这里采用了微元法 B. 根据速度定义式，当△t非常非常小时，就可以表示物体在t时刻的瞬时速度，该定义应用了微元法 C. 亚里士多德认为自由落体运动就是物体在倾角为90°的斜面上的运动，再根据铜球在斜面上的运动规律得出自由落体的运动规律，这是采用了实验和逻辑推理相结合的方法 D. 牛顿在伽利略等前辈研究的基础上，通过实验验证得出了牛顿第一定律

4.在物理学发展上许许多多科学家做出了巨大贡献。下列符合物理史实的是 A. 牛顿提出了万有引力定律并利用扭秤实验装置测量出万有引力常量 B. 法拉第通过精心设计的实验，发现了电磁感应现象 C. 卡尔最先把科学实验和逻辑推理方法相结合，否认了力是维持物体运动状态的原因 D. 第谷用了20年时间观测记录行星的运动，发现了行星运动的三大定律 5.下列说法中正确的是 A. 伽利略设计的斜面实验巧妙地借用了“冲淡”重力的方法，通过实验现象推翻了亚里士多德的“物体运动需要力来维持”的错误结论。 B. 牛顿第一、第二、第三定律都可以用实验直接验证。 C. 第谷通过多年的观测，积累了大量可靠的数据，在精确的计算分析后得出了行星运动三定律。 D. 动量定理不仅适用于宏观物体的低速运动，而且对于微观粒子和高速（接近光速）运动的物体也适用。 6.在物理学发展过程中，观测、实验、假说和逻辑推理等方法都起到了重要作用，下列说法中，不正确的是 A. 奥斯特实验说明电流具有磁效应，首次揭示了电和磁之间存在联系 B. 直流电流、环形电流、通电螺线管的磁场均可用安培定则判断 C. 通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场十分相似，受此启发，安培提出了著名的分子电流假说 D. 洛伦兹力方向可用左手定则判断，此时四指指向与电荷运动方向一致 7.物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列说法中正确的是 A. 亚里士多德发现了力是改变物体运动状态的原因 B. 哥白尼提出了日心说，并发现了行星沿椭圆轨道运行的规律

引力波问题

10、引力波问题 《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：４．引力能否被屏蔽？７．引力子，你在何方？ 早在1916年， Einstein就根据弱场近似预言了弱引力波的存在，但最初关于引力波的理论是同坐标的选取有关的，以致引力波到底是引力场固有的性质，还是某种虚假的坐标效应，以及引力波是否从发射系统中带走能量等问题，长时间没有得到澄清。Einstein引力场方程是双曲型偏微分方程,它意味着引力场的扰动将以一个有限速度传播,这种扰动就是以光速传播的引力波。引力波方程可从Einstein 引力场方程的弱场近似解导出，把弱场情况下的引力场势函数简化为一个二阶齐次偏微分方程，这个方程与电磁波方程在数学上完全相同，所以引力场的运动也是波动，其解也是普通的平面波方程，引力波是横波，速度等于光速。广义相对论的弱场辐射解具有如下的特点：在真空中以光速传播的横波没有偶极辐射，只有四极或更高级的辐射，它携带有能量，穿透能力极强等等。从物理图像上看，弱场近似下的辐射解毕竟是值得注意的，一方面，任何可观测到的引力辐射的强度都非常低，另一方面，弱场近似下的引力辐射理论，有可能沟通广义相对论同微观物理学之间的鸿沟，赋予引力学概念以确切的含义。 从50年代末到70年代初，广义相对论经典理论的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的进展。对于广义相对论是否存在引

力波的问题一直争论不休，因为人们当时搞不清广义相对论中的引力波会不会仅仅是一种坐标效应，这在很大程度上是对广义相对性原理的不恰当的理解而引起的。直到50年代末，同坐标选取无关的引力辐射理论才开始形成，随后，科学家求出了 Einstein真空场方程的一种以光速传播的平面波前、平行射线的严格的波动解，并证明了检验粒子在引力波作用下会产生运动，从而表明了引力波携带着能量，不过，由于 Einstein方程是非线性的，有关引力波的一些理论问题仍有待继续澄清。60年代初，人们弄清了在理论上的确存在引力波。引力波可以看作是以光速传播的力场，它和电磁波在许多方面类似，和坐标系的选择毫无关系。由于引力波与物质的相互作用十分微弱，这给探测引力波的工作带来了很大的困难，用实验方法产生引力波的困难尤为严重。美国马里兰大学韦伯(J．Weber)教授于1958年开始进行引力波的实验，经过10余年的努力，曾宣布检测到来自银河系中心的引力波，但结果不十分可靠，目前尚无定论。70年代末，J.H.泰勒等人公布了对射电脉冲双星 PSR 1913+16公转周期变短的长期观测的结果。泰勒等人认为，这种效应是由于引力辐射不断带走能量所引起的，他们的结果在20％的误差范围内同引力辐射的理论计算一致。1982年，他们又进一步发展了减小误差后的结果。不过，人们还希望利用多普勒跟踪法或激光测距法观测两天体在引力波作用下间距的变化来直接探测引力波。现在，美国航天局和欧洲航天局正在加速这方面的研究，并使测距精度大大提高(例如地球和月亮的距差为±5厘米)，其灵敏度Δl／l已达10－13～10－16，即便如此，还需

引力波

引力波 (Redirected from 重力波(相对论)) 本文介绍的是相对论中的引力波。关于流体力学中的重力波，详见“重力波(流体力学)”。 在物理学中，引力波指时空曲率中以波的形式从射源向外传播的扰动，这种波会以引力辐射的形式传递能量。阿尔伯特·爱因斯坦根据他的广义相对论[1]，于1916年预言了引力波的存在[2]。理论上可以被探测到的引力波射源包括由白矮星、中子星或黑洞组成的联星系统。引力波现象是广义相对论的局域洛伦兹协变性的结果之一，因为它限制了相互作用的传播速度。相反，牛顿引力理论中的相互作用都以无限的速度传播，所以在这一理论下并不存在引力波。 科学家已通过各种间接方法发现了引力辐射的证据。例如，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯－泰勒脉冲双星在互相公转时逐渐靠近，这为引力辐射的存在提供了证据；两人因这项发现于1993年获得了诺贝尔物理学奖。 [3]科学家也利用引力波探测器来观测引力波现象，如简称LIGO的激光干涉引力波天文台。2014年3月17日，哈佛－史密松天体物理中心的天文学家宣布利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到引力波的效应，一经证实，这将成为宇宙暴胀和大爆炸理论的强烈证据。 概述

爱因斯坦广义相对论所描述的引力，是时空曲率所产生的一种现象。质量可以导致这种曲率。当物质在时空中运动时，附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播。这一传播现象就是引力波。[7][8] 当引力波通过远处的观测者时，观测者会发现时空被扭曲了。两个自由物体之间的距离会有节奏地波动，频率与引力波相同。然而，在这一过程中，这两个自由物体并没有受力，座标位置也没有变化；改变的，是时空座标本身的距离。在观测者处的引力波强度和与波源间的距离呈反比。根据预测，螺旋形靠近的中子双星系统由于质量高、加速度高，因此在合并时会发射出强大的引力波。但是因为天文距离尺度之大，就算是最激烈的事件所产生的引力波，在到达地球后效应已变得极低，其应变的数量级低于10?21分之一。[9]为了探测到这种细微的变化，科学家不断增加探测器的灵敏度。截至2012年，最为敏感的探测器位于LIGO和VIRGO天文台，灵敏度高达5×1022分之一。[10]这些天文台未能探测到引力波，这为这种引力波的频率设下了上限。欧洲空间局正在研发一座用来探测引力波的空间天文台，激光干涉空间天线。 线性偏振引力波 引力波能够穿透电磁波所无法穿透的空间。科学家推测，引力波能够帮助了解位于宇宙远处的各种天体，例如黑洞。这类天体无法用光学望远镜和射电望远镜等传统方式观测。宇宙学家还能够利用引力波来观测宇宙最早期状态。传统的天文学方法无法用来直接观测早期宇宙，因为在复合之前，宇宙无法被电磁波所穿透。[13]对引力波更精确的测量还能进一步验证广义相对论。 引力波理论上可以取任何频率，但极低频率几乎无法探测，而极高频率也没有可观测的已知波源。史蒂芬·霍金和维尔纳·伊斯雷尔（Werner Israel）预测，可以被探测到的引力波频率在10?7 Hz和1011 Hz之间。 引力波通过时的效应 一个由粒子组成的环在十字型偏振引力波下的作用

引力波天文学

AAA-001V0.1 2015/11/25 引力波暂现源的电磁对应体的探测 爱因斯坦探针科学论证报告 高鹤,范锡龙,吴雪峰,孙惠,张冰,范一中, 李立新,赵文,刘富坤,袁业 飞,IkSiongHeng,胡一鸣，袁为民 北京师范大学,湖北第二师范学院,紫金山 天文台,北京大学,中国科学技术大学,美 国内华达大学拉斯维加斯分校,格拉斯哥大学,马克斯－普朗克研究所,国台

AAA-001V0.1 2015/11/25 总结摘要（executive summary） Advanced LIGO对来自双黑洞并合事件GW150914的探测，标志着人类首次实现了引力波信号的直接探测，开启了引力波天文学的新时代。随着Advanced LIGO的继续运行以及Advanced Virgo、LIGO-India 等探测器的陆续加入，将有越来越多的引力波信号被探测到。探测引力波源的电磁对应体将极大的丰富引力波天文学的科学内容，人类将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，确定引力波暂现源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～10－几百平方度），探测引力波暂现源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，为引力波暂现源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。

高考历史二轮习题：专题十四 近代以来世界的科学技术、19世纪以来的世界文学艺术

专题十四近代以来世界的科学技术、19世纪以来的 世界 文学艺术 一、选择题(每题3分,共45分) 1.伽利略不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点,更创立了研究自然科学的新方法。伽利略的新方法( ) A.促进近代自然科学产生 B.重视系统的观察和实验 C.推动了文艺复兴的开展 D.创立了经典力学体系 答案 B 伽利略在研究自然科学的过程中,重视系统的观察和实验,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,故选B项。近代自然科学诞生的标志是哥白尼《天体运行论》的发表,排除A项;文艺复兴的开展对伽利略新方法的创立产生重要影响,排除C项;牛顿创立经典力学体系,排除D项。 2.有学者认为,哥白尼的革命意味着把人从宇宙的中心和特权地位上撤换下来,而康德在一定意义上是把人当作偶像崇拜的。二者( ) A.对人的地位的认识是对立的 B.有利于思想解放运动发展 C.促进了近代科学的发展进步 D.动摇了中世纪神学的统治 答案 B 哥白尼提出“太阳中心说”否定了传统的“地球中心说”,“把人从宇宙的中心和特权地位上撤换下来”是指改变了人类对自然界的认识,开拓了人们的视野。“康德在一定意义上是把人当作偶像崇拜的”,提高了人的地位,有利于思想解放。据此可知B项符合题意。 3.“1859年11月24日清晨,雾霭中,伦敦几家书店的门口人声鼎沸,人们争先恐后地排队购买刚出版的新书……初版1 250本书在发行的当天就被销售一空。……书中的观点震撼了世界。”材料中提到的书籍是( ) A.《社会契约论》 B.《资本论》 C.《物种起源》 D.《共产党宣言》

答案 C 由题干中的时间信息“1859年11月24日”可知,该书是《物种起源》,故选C项。《社会契约论》出版于18世纪,故A项排除。《资本论》于1867年、1885年和1894年分为三卷出版,故B项排除。《共产党宣言》发表于1848年2月,故D项排除。 4.19世纪70年代,上海的生丝市场中一种新的交易方式通行起来。商人们在上海买到生丝的同时即在伦敦市场上将其出售。这种交易方式的通行得益于( ) A.中国生丝质量的提高 B.近代科学技术的进步 C.民族资本主义的初步发展 D.中国产业结构的调整 答案 B 从材料信息可知,上海生丝市场中的生丝交易可以与伦敦市场同步,这种交易方式的通行得益于近代通讯事业的进步,故选B项。中国生丝质量优劣与材料中的交易方式通行并无关联,排除A项;甲午战争以后,中国民族资本主义初步发展,C项与材料信息及史实均不符,排除;材料信息未涉及中国产业结构的调整,故D 项错误。 5.(2019江苏常州期末)引力波也被称为“时空的涟漪”,是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播并传输能量。成功预言了引力波存在的科学理论还( ) A.准确预见了海王星的存在 B.推动了欧洲启蒙运动进程 C.拓展了对宏观世界的认识 D.发现能量辐射的运动规律 答案 C 成功预言了引力波存在的科学理论是爱因斯坦的相对论。相对论拓展了对宏观世界的认识,故选C项。A项是牛顿力学的影响,排除;17世纪自然科学的进步推动了欧洲启蒙运动进程,相对论于20世纪初提出,故B项错误;D项属于量子力学成就,排除。 6.20世纪80年代,西欧国家纷纷采取措施以解决科技落后于美、日的问题。法国制定的“研究开发基本法”以信息技术为首要开发领域,联邦德国实施为期5年的

引力波 论文

浅谈引力波的历史、定义及意义 摘要：在爱因斯坦提出引力波概念100周年以后，美国的LIGO【激光干涉引 力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）】和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。这是物理学界里程碑式的重大成果，引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。 关键词：广义相对论引力波探索历史意义

2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: We have detected Gravitaiton Waves.We did it!（我们已经探测到引力波，我们做到了！）瞬间这一消息引爆微博、朋友圈等各大平台。作为一名大一的学生，我对这一“不明觉厉”的名词产生了浓厚的兴趣，在看过若干生动形象的科普视频、现场发布会实录、对著名科学家霍金的这方面的采访，查阅过相关文章后，决定系统地浅谈一下关于引力波的渊源、探索历史、具体定义，及这项轰动全球的事件背后重大的意义。 1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。 简单生动地来讲，引力波是时空中的涟漪。如果把时空想象成一张巨大的橡胶模，有质量的物质会让橡胶模弯曲，好比在蹦床上扔了个保龄球，质量越大，时空被引力波扭曲的越厉害。举个例子来说，地球绕着太阳转，是因为太阳的质量非常大，导致其周围的时空大大形变，如果想沿着这样的形变走直线，你会发现，事实上是在绕圈，轨道就是这样来的，并没有什么力拉着行星绕圈，只是时空弯曲着。有质量的物质一加速，改变了时空中的扭曲，引力波随之而生。任何有质量并且（或者）有能量的东西，都能产生引力波。要是两个人彼此相绕跳一支舞，他们也会导致时空的涟漪，但非常微不足道，实际

万有引力理论的成就练习题(含答案)

第七章 万有引力与宇宙航行 第3节 万有引力理论的成就 1．人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）在轨道运行的过程中，常常需要变轨。除了规避“太空垃圾”对其的伤害外，主要是为了保证其运行的寿命。据介绍，由于受地球引力影响，人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）运行轨道会以每天 100米左右的速度下降。这样将会影响人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）的正常工作，常此以久将使得其轨道越来越低，最终将会坠落大气层．下面说法正确的是（ ） A ．轨道半径减小后，卫星的环绕速度减小 B ．轨道半径减小后，卫星的向心加速度减小 C ．轨道半径减小后，卫星的环绕周期减小 D ．轨道半径减小后，卫星的环绕角速度减小 【答案】C 【解析】卫星受到的万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律可得： 222 224Mm v G m m r m r ma r r T πω====， 解得：2T π= v = ω= 2GM a r = 故在轨道半径减小后，周期减小，线速度增大，角速度增大，向心加速度增大。故C 正确。 2．在某行星表面附近有一卫星，绕该行星做匀速圆周运动，测得其周期为T ，引力常量G 已知，则可算出 A ．该行星的质量 B ．该行星的直径 C ．该行星表面的重力加速度 D ．该行星的平均密度 【答案】D 【解析】AB ．根据2 224Mm G mR R T π＝得，行星的质量232 4R M GT π=，由于行星的直径未知，故无法求出行星的质量。故AB 错误。 C ．根据2Mm G mg R ＝，行星表面的重力加速度222 4GM R g R T π=＝，由于行星的直径未知，故无法求出行星表面的重力加速度。故C 错误。

《一名物理学家的教育历程》练习(附答案详解 )

《一名物理学家的教育历程》练习答案 一、语用小题夯基练 阅读下面的文字，完成1～3题。 外面的世界很精彩，充满着未知的神秘，蕴含着无穷的力量，既然如此，为何还要________呢？不如走出这个习惯守旧的圈子，去体验“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”的自由与快乐！李氏青莲，曾让贵妃研墨，力士脱靴，享受着至高无上的荣耀，只因“我辈岂是蓬蒿人”，告别了繁华的都市——长安。但心中那份“________”的志向，让他并不气馁，他游历四方，挥洒豪情，写下了无数动人的篇章。如果他当初不走出官场这个限制他才华的“圈子”，何来“诗仙”之美名，怎会留下传诵千古的美妙诗句呢？ ()。 日裔美籍物理学家加来道雄，童年时内心充满了无限的________，常会给自己提出只有孩童才问的________的问题，比如“鲤鱼怎样观察它们周围的世界”“鲤鱼的世界会是什么样子”等等，可正是这份幼稚，让他走出物理学家固有的思维“圈子”，走出成人习惯守旧的“圈子”，开启了他对未来探索的大门，获得了事业的巨大成功，被誉为“第二个爱因斯坦”。 1．依次填入文中横线上的词语，全都恰当的一项是() A．畏葸不前天涯何处无芳草遐想昏昏然 B．墨守成规天生我材必有用遐想傻乎乎 C．墨守成规天涯何处无芳草憧憬昏昏然 D．畏葸不前天生我材必有用憧憬傻乎乎 解析：选B第一组，畏葸不前：畏惧退缩，不敢前进。墨守成规：守着老规矩不肯改变。结合下文“走出这个习惯守旧的圈子”分析，此处应选“墨守成规”。第二组，天涯何处无芳草：一是指大千世界机会很多，不要过分注重于某一件事儿而不知变通；二是指男女之间没有必要固守一方，可以爱的人或值得爱的人很多。天生我材必有用：指上天生下我，一定有用到我的地方。前文引用了李白的“我辈岂是蓬蒿人”，此处运用李白的诗句“天生我材必有用”更妥帖。第三组，遐想：指悠远、无拘无束地想象联想。憧憬：对美好事物的向往。结合下文语境选“遐想”更合适。第四组，昏昏然：是指脑子不清醒，昏昏欲睡的样子。傻乎乎：糊涂无知或憨厚老实的样子。结合上下文语境看，用“傻乎乎”更妥当。 2．下面填入文中括号内的语句，衔接最恰当的一项是() A．走出这个圈子，人们会感受到不一样的世界，看到不一样的自己 B．人们会看到不一样的自己，走出这个圈子，感受到不一样的世界 C．人们会感受到不一样的世界，走出这个圈子，看到不一样的自己

空间弯曲问题

6、空间弯曲问题 Einstein在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。以后,每逢日全食都进行了观测，但由于种种不确定的因素,光学测量精度的提高受到了限制。1973年，光学测量所得偏转角同理论值之比为0.95±0.11。60年代末，由于射电天文学的发展，使人们有可能用高于光学观测的精度来测量太阳引起的射电信号的偏折。这类观测所得偏转角同理论值之比在1975年已达到约1±0.01。 I.夏皮洛于1964年建议，测量雷达信号传播到内行星再反射回地球所需的时间，来检验广义相对论，为此他进行了长期的测量。到70年代末期，这类测量所得的数据同广义相对论理论值比较,相差约1％。这类实验也可以在地球引力场中，通过测量人造卫星的雷达回波的时间延迟来进行。 自1687年天体力学由牛顿建立后，天体力学就同牛顿力学(牛顿的运动三大定律、万有引力定律和绝对时空观)密切联系在一起。拉普拉斯在1798年正式提出天体力学的学科名称和内容，并在1799年到1825年间，编写出版了历史性巨著《天体力学(Mecanique Celeste))五卷，成为天体力学的奠基著作。1846年，根据勒威耶(Leverrier)按天体力学理论计算的预报，发现了海王星；因而证实了天体力学的可靠性。1859年，勒威耶在任巴黎天文台台长期间，根据大量的观测资料，发现水星近日点进动速率的计算值，比观测值小38"／百年。

但他是牛顿力学的信徒，认为此偏差由水星轨道内的某未知行星的摄动所致，于是号召全世界天文台寻找这颗行星。结果未找到。1895年前后，美国的纽康(Neweomb)等人根据更多的观测资料，把这个偏差值订正为43"／百年；同时也发现了金星、地球、火星的进日点进动有类似偏差，只是数值小些。他们开始怀疑牛顿的万有引力定律，并试图修改引力与距离的2次方成反比规律。但没有成功。1916年，爱因斯坦用自己提出的广义相对论，计算出水星近日点进动速率，与观测值符合得很好。这就肯定了在讨论行星运动中，牛顿力学的精度不够。1938年，爱因斯坦同另两人(Infeld，Hofamn)提出了后牛顿的多体问题运动方程，即著名的EIH方程。建立了后牛顿天体力学。20世纪印年代，由于当时所测的太阳扁率较大，对水星近日点经度的摄动也大，这就使得按广义相对论计算值有4”／百年左右的偏差。物理学家们纷纷提出很多种新的引力理论。为了检验这些理论，1972年由Will，Nordtvedt建立起一种名为“参数化后牛顿”(简称PPN)方法。其中有l0个参数，不同理论有不同的参数值。1972年，俄罗斯的天体力学专家勃隆别格(Brumberg)第一次出版俄语著作，正式用“相对论天体力学”做书名。其中提出了相对论天体力学的内容，是“以爱因斯坦的广义相对论或其他新引力理论为基础的天体力学”。由于懂俄语人少，影响不大。到1985年才受到广泛重视，IAU召开了相对论天体力学的专题讨论会。1987年，勃隆别格又用英语出版了《相对论天体力学》修订本l4]，得到大家承认。高精度的运动理论都采用后牛顿天体力学。1991到1994年间，由法国人Damour，德国人Sofel

引力波

在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲时因为质量的存在而导致。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候，曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速物体能够对这个曲率产生变化，并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。 当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变(strain)效应，观测者就会发现时候时空被扭曲。当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少，这个频率对于这了引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。绕转的双中子星系统被预测，在当它们合并的时候，是一个非常强的引力波源，由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小，形变效应小于1.0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。目前最为灵敏的探测是aLIGO，它的探测精度可以达到1.0E-22。更多的空间天文台(欧洲航天局的eLISA计划，中国的中国科学院太极计划，和中山大学的天琴计划)目前正在筹划当中。 引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式，比如光学望远镜和射电望远镜，所观测到，所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。尤其，引力波更为有趣的是，它能够提供一种观测极早期宇宙的方式，而这在传统的天文学中是不可能做到的，因为在宇宙再合并之前，宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以，对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。 （图1） 图1：引力波谱；不同引力波源所对应的频率范围（注意频率是取了对数后的值），周期。以及所对应的探测方式。 通过研究引力波，科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情。原则上，引力波在各个频率上都有。不过非常低频的引力波是不可能探测到的，在非常高频的区域，也没有可靠的引力波源。霍金(Stephen Hawking) 和以色列（Werner Israel）认为可能可以被探测到的引力波频率，应该在1.0E-7 Hz 到1E11Hz之间。 引力波在不断的通过地球；然而，即使最强的引力波效应也是非常小的，并且这些源距离我们很远。比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所长的引力波，在穿过13亿光年之

广义相对论引力波(论文)

引力波探索 姓名:于克锋 学号:2003080007 摘要: 电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言 关键字: 引力波(gravitational waves) 广义相对论电磁波 引力波: 牛顿在数学，物理和天文学方面有着许多重要的贡献。但是，他最为人知的贡献是发现了引力学定理。爱因斯坦的许多理论，包括对引力波的预言，都是从牛顿引力学理论中得到灵感的。 其中一个最广为人知的故事，是描述有一天，牛顿正坐在一棵苹果树底下思考着宇宙。突然一个苹果从天而降砸到了他的头上。震惊中的牛顿马上意识到发生了什么事。就在这一瞬间，他认识到了引力是怎样将物体拉向地球的。 这个故事可能是虚构的，但它却符合事实。牛顿对自然的观察使他发现了引力定理。他认识到那个将苹果拉向地球的力很可能与使月亮围绕地球转的力是一样的。从而，他认为所有物体之间一定存在一种吸引的力，并称之为引力。 根据他的发现，牛顿注意到所有物体都互相吸引。质量越大，引力越大，但随离开物体距离的增大而减小。他称这就是引力定理。 在他的引力学理论中，牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)，开普勒(1571-1630)，伽利略(1564-1642)的理论。牛顿的理论解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。 虽然牛顿的理论解释了什么是引力，但是，在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜 爱因斯坦认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。 引力波的基础理论 线性爱因斯坦方程 引力波广义相对论下的弱引力场可写作对平直时空的线性微扰 ，其中 这里是平直时空的闵可夫斯基度规，是弱引力场带来的微

引力波郭英森现状引力波被证实郭英森消息

引力波郭英森现状引力波被证实郭英森最新消息 爱因斯坦因为是权威，因为是教授，所以他的一言一行都受到全球科学界的关注，在民间，并不是说没有能人，比如我们今天要说的郭英森，虽然并未被科学界进行权威证实和验证，但不得不说，其研究确有着一定的逻辑性和科学性，比如说，他通过自己独特的方法和公式计算出来的引力波理论。5年前，方舟子等人对郭英森的引力波理论进行了无性的嘲笑，但现在，美国科学家已经证实了引力波的存在，在媒体上，人们一致认为，这是对爱因斯坦引力波预言的证实，但在郭英森看来，爱因斯坦的引力波理论只是一种预言，而他通过计算方式所发现的引力波，才是真正的权威。 非你莫属节目视频：点此观看 《非你莫属》五年前的春节特别节目中，被称为“诺贝尔哥”的辽宁抚顺前管道工郭英森曾提到过引力波，但被嘉宾和主持人打断，并当面嘲笑。节目刚开始，郭英森提到了引力波概念，并准备有图纸，当郭英森拿出“相对论量子力学”公式时，方舟子说：我看不懂，因为这个是你自己发明的。而当郭英森试图解释该公式时，方舟子再次表示：是你自己发明的。另一位CEO则说：“自己对长生不老、变万年龟这种话题更感兴趣。”郭英森拿出自己写的新论据，试图说服。而主持人张绍刚则阻拦，劝CEO赶

紧告诉郭英森，自己对他的解释并无兴趣。董浩再三强调：“救人要紧!悬崖勒马!”郭英森表示，所谓的“诺贝尔哥”称号并不是自己取的。而诺贝尔奖从来只奖励那些提出新思想的人。郭英森这些年整理了大量资料，并将自己的研究成果发送到各个相关科研机构本报专访“诺贝尔哥”郭英森——“他们确实欠我一个道歉”昨日，本报记者在北京对被网友称为“诺贝尔哥”的郭英森进行了专访。在他看来，当初参加节目的有些嘉宾和老板，都欠他一个道歉，不过他说：“别人的道歉都能够接受，方舟子的不会接受。”当初上节目心里不舒服“没有太多机会说话，本来还想提“UFO”，后面也没提”昨日下午，在北京市首都图书馆，老郭穿着朴素的大衣，戴着擦得锃亮的眼镜，坐在二楼大厅的一角。看到记者赶到，老郭赶忙起身。记者：当初参加《非你莫属》，初衷是什么? 郭英森：那是一档专门的求职栏目，所以我去也仅仅是希望找到一份收入还行的工作，然后再用赚来的钱做研究。但当时我第一次上台，有些紧张，再加上栏目组安排些环节，导致思路不太清晰。记者：你在电视台提出引力波，被嘉宾嘲笑，12盏灯灭了9盏，当时啥感受? 郭英森：说实话当时心里挺不舒服的，但是这种难受并不是因为自己的结论没有被大家认同，而是自己没有太多机会说话，以及那些老板们其实根本不懂，还嘲讽我。当时我一上台，第一个环

自然辨证法 观察与理论.

在观察与理论的关系问题上都有哪几种观点?我们如何去看待这二者的关系问题? 关于观察过程中是否能排除理论影响的问题存在两种不同的认识。 一种观点认为 ,必须把观察和理论严格区分开来,观察不应受任何理论因素和主观想法的干扰,而保持它绝对的客观性。 (只承认观察的客观性,而否定其主观性 17世纪的培根主张要进行不受理论制约的纯粹的观察 ; 现代西方科学哲学中的逻辑经验主义学派提出不受任何理论影响的中性观察 ; 另一种观点认为 ,观察渗透着理论,观察离不开理论的指导 现代科学哲学家波普尔、汉森、库恩等人 他们认为纯粹的中性观察是根本不存在的 爱因斯坦也认为:“是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象中推论出基本现象来” 从具体的科学研究过程来看,观察是离不开理论指导的,观察渗透着理论,具体表现为: ①理论对观察有定向作用。观察实验的构思与设计是在一定的理论知识指导下进行的。 ②观察者要受到背景知识影响。观察不仅仅是获取信息的过程,还有对信息的选择、加工和提取问题。对于同一个被观察对象,由于观察者原有的理论、知识和经验不同,因而对于信息的分析和提取也可能不同。俗话说:“内行看门道,外行看热闹” ,对同一张 CT 胸卡,病人看到的内容与医生看到的差别就很大。 ③对观察结果的陈述渗透着理论。任何观察结果都要通过观察语言来记录和表达,而最终进入科学理论中。观察语言是一种客观描述,但也有主观解释的成分。

如:当临床医生用血栓概念来陈述其观察结果时,这时临床观察实际上已走进病理学的框架之内,要受到已有的病理学理论知识的支配和影响。 坚持观察的客观性和强调观察离不开理论的指导,二者在本质上一致的。正确的理论对人们的认识活动有一定的指导作用,如果我们硬要把观察与理论割裂开来,那这种观察只能是一种盲目的、没有科学性的观察。谈谈历史上对于观察的几种错误观点,及观察的主观性和客观性? 历史上有两种错误观点 ⒈否定观察的客观性 ①古希腊柏拉图的理念论 他把世界分为可知世界和可见世界,认为观察到的具体事物是不真实的,只有通过理性认识到的“理念”才是永恒不变、唯一真实绝对存在的 ②中世纪一些经院哲学家 他们只相信书中的教条,而不相信观察到的事实 ③近代唯理论者笛卡儿 他认为观察不可靠,只有理念才是可靠的 ⒉否定观察的主观性 ①经验论者和一些科学家 主要代表是培根、洛克、赫胥黎 ②逻辑经验主义 他们把科学分为观察层次和理论层次,把这两个层次截然分开了,违背了可观察性原理

从引力到引力波,36年专注一个问题

从引力到引力波，36年专注一个问题 2020/5/27 10:23:04 来源：科技日报 新闻记者：龙跃梅 通讯员：黄艳赵现廷 “天琴计划”激光测距台站望远镜运行良好中山大学 宣传部供图 从牛顿1687年发表万有引力定律，到卡文迪许第一次用扭秤实验测出万有引力常数G值，西方科学家主导这一领域的研究300多年。上世纪80年代，中国科学家罗俊及其团队加入了测量万有引力常数G的队伍。

5月21日，全国人大代表、中国科学院院士、我国空间引力波探测“天琴计划”首席科学家罗俊院士透露，经过多方评估，“天琴一号”卫星六大技术在轨验证全部通过，每项技术指标都优于任务目标，达到国内同类技术的最高水平。 世间万物，有能量就有引力。那么，引力的本质究竟是什么呢？自牛顿开创经典力学以来，这个物理学领域基础的科学问题之一，让物理学家辗转几百年，至今仍在探索。 从1984年开始，一群中国科学家用36年的时间，探索引力的本质究竟是什么。对于一位科学家的科研生涯来讲，36年很长。但是，在西方科学家主导了300多年的领域里，中国科学家测出了世界最精确的万有引力常数G的值，提出了空间引力波探测“天琴计划”，这样看来36年又很短。 基础研究如何报效国家和社会？罗俊院士和天琴团队在探索科学问题的过程中，用一个又一个重量级成果给出了答案。 “丢掉用钱买技术的幻想” 从牛顿1687年发表万有引力定律，到卡文迪许第一次用扭秤实验测出万有引力常数G值，西方科学家主导这一领域的研究达300多年。

上世纪80年代，中国科学家罗俊及其团队加入了测量万有引力常数G的队伍，开始用扭秤技术精确测量G值。 为了找到震动小、温度恒定的实验场所，他们把华中科技大学喻家山下的一处防空洞作为实验室。山洞阴暗潮湿，但他们埋头科研，一遍一遍地改进扭秤系统，不断优化实验方案，把扭秤的灵敏度提高再提高，把各种环境干扰降低再降低。他们除去吃饭和睡觉，在山洞中度过了数不清的日日夜夜。 经过艰辛努力，2018年8月，《自然》杂志刊发了罗俊团队最新测G结果，该团队历经艰辛测出了截至目前国际上最高精度的G值。 在探索引力本质的基础研究道路上，依托各种引力实验，他们从一开始就踏上了精密测量的应用研究之路。空间惯性传感器就是其中的杰出代表。它是空间引力研究、空间引力波探测和重力卫星的核心设备，根据工作模式的选取。该设备精度高、技术难度大，仅有法国掌握其全部技术。 2001年，为了推动研究，罗俊与已研制出空间惯性传感器的法国教授约好，专门赴法国商谈国际