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  • 1 # 瞧段子專號

    個人淺見,引力波目前處於驗證階段。前幾天,美國宣稱發現了引力波,並有其他探測手段佐證。但可能在科學界尚未達成共識。如果引力波已有方程式,就不是驗證了。而是完全掌握他的性質。這個方程將極大提高理論物理的水平。並有可能應用於技術實踐。就這個方程式,本人尚無力回答,請各路神仙發表高論,洗耳恭聽。作者提出的這個問題非常棒,點贊。

  • 2 # 科學聯盟

    溫伯格的引力與宇宙一書寫得還算詳細,當年學習廣義相對論的引力輻射時候,有時候會參考他的書。這裡要先搞清楚計算是在弱場近似下進行的。

    弱場近似可以分析出對於引力輻射比較弱的天體輻射出的引力波的性質。【引力輻射比較弱的天體有很多,如木星公轉導致的引力輻射。】

    圖片裡面的推導有一步很關鍵,那就是要把引力場方程變成達朗貝爾方程。可惜這裡省略了。因這個推導雖然無聊,但是是技術層面的東西,如果技術不過關,是得不到達朗貝爾方程的。由於書裡的出發點是考慮引力輻射而不是引力波(兩者有區別,引力波滿足的方程是齊次達朗貝爾方程,而引力輻射則不是齊次的),會有能動張量項(引力波方程裡的能動張量為0)。引力波方程圖中已經 給出了【圖中畫框的就是,寫很清楚】,如果有不清楚,可以翻閱溫伯格書。

    下面討論一下引力波的解。其實,這個解圖中也給出了【劃線部分】。這個解叫推遲勢解。學過電動力學就不會陌生。這種技術性的工作,解釋起來往往需要一些基礎知識。從解的形式上看,源點x"在場點x上產生的引力場是在(x-x")時刻後才到達x點的。【溫伯格書以及絕大部分理論物理書都把物理常數歸一。】所以,引力場的傳播速度是c。這就避免了超距作用。進一步對推遲勢解做泰勒展開就可以發現引力單極、偶極子都不輻射,最低輻射極是引力四極矩(電動力學裡電磁輻射是單極不輻射,最低輻射極是電偶極)。對於無源引力波,我們要考慮畫框部分的齊次形式(令右邊為0),考慮時諧引力波解

    並引入TT規範,可以發現引力波只有兩個自由度。【出於科普的考慮,我就不寫更多的公式了,如果想知道更多內容,可以看劉遼先生的《廣義相對論》一書。】在時諧引力波的情形下,我們可以計算引力輻射的功率。這個計算和電動力學計算電磁輻射的方案類似,但是由於引力場的能量存在一些困難,所以在推導引力輻射功率的時候需要小心選擇的能量方案。【一般認為有這麼幾種方案:愛因斯坦-托爾曼方案、朗道慄-弗席茲方案、穆勒方案。】計算引力輻射的功率,有助於我們理解引力波的本質。對於轉動天體,其引力輻射功率如下

    從計算結果可以看出,引力波能帶走天體的能量,使天體出現種種有趣的現象。比如中子雙星因為引力輻射導致轉動週期改變——這項觀測使美國麻省大學的物理學家家泰勒(Joseph Taylor)教授和他的學生赫爾斯(Russell Hulse)榮獲1993年諾貝爾物理學獎。當年頒獎理由寫的極其含蓄:“發現新一類脈衝星,該發現開發了研究引力的新的可能性”。這是因為當時還不能證明中子雙星週期改變就是引力波導致的,但是因為的觀測資料和廣義相對論預測結果幾乎一致,所以物理學家相信這就是引力波。就在泰勒的工作42年以後,美國LIGO宣佈發現了引力波。不僅如此,今年又發現了雙中子星合併產生的引力波。天體的劇烈演化,有可能產生很強的引力輻射。這不僅證明了廣義相對論的正確性,也給天文學家探索宇宙提供了新的方案。

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