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引力波与引力子

已有 10407 次阅读 2016-2-19 13:28 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述| style, color

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                 引力波与引力子

 

    美国学者由LIGO探测到引力波的实验结果发表之后,网上对之介绍和讨论的文章层出不穷。探测到引力波是物理学的研究和发展过程中的一件大事,群众关心科学的发展应是个好现象,故本博也写作了这篇博客来凑个热闹。本文打算着重谈谈引力波是什么?和引力子是什么?然后在此基础上再分析讨论这次LIGO探测到的信号GW150914,到底能说明什么和不能说明什么?

一、引力波是什么?

可以用数学证明[1] : 作为广义相对论场方程的爱因斯坦场方程具有波动解,即爱因斯坦场方程意味着,若时空某处物质场的能动张量随时间和空间发生变动,则时空中便要出现引力场(表现为度规场和联络场)的变化,使之携带能量由近及远地以光速传播。在物理学上,把这种变化的度规场和联络场携带能量由近及远地以光速传播的现象称为引力波。我们认为,引力波最根本的特征就是在时空中出现度规场和联络场的变化,并携带能量由近及远地传播。

度规场和联络场的变化可引起时空曲率的变化,变化的度规场和联络场携带能量由近及远地传播也相当于变化的时空曲率携带能量由近及远地传播;因之,也可把引力波说成是‘时空曲率的涟漪’。

可是,由于爱因斯坦场方程是非线性偏微分方程,求解过程十分复杂而且很难求出严格解。好得在远离强源的情况下,引力波往往属于弱场;若对爱因斯坦场方程进行弱场近似[2] ,可得出线性化的爱因斯坦场方程之弱场近似。这个线性化的爱因斯坦场方程之弱场近似颇类似于由麦克斯韦电磁场方程导出的电磁波波动方程;由于这个类似,可把引力波类比于电磁波。

二、引力子是什么?

大家知道,电磁场具有波粒二象性,可以把电磁波看成是一束光子携带能量由近及远地以光速传播。研究电磁场波粒二象性的理论是量子场论,理论物理对之已有较深入的研究。既然可把引力波类比于电磁波,也就可把引力波看成是一束引力子携带能量由近及远地以光速传播。但由于研究引力场波粒二象性的量子引力场论尚未完满建立,‘把引力波看成是一束引力子携带能量由近及远地以光速传播’还只能看作是一个假定,在解释GW150914事件时要用到这个假定。

三、研究人员的解释和推测

发表于《物理学评论通讯》的新研究中,研究人员表示探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号——后来被命名为GW150914,持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行,于当日抵达地球,被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。据研究人员推测,两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量,3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

下次本博将对研究人员的解释和推测进行一些分析和讨论。

 

参考文献

[1]  福克著,周培源等译,空间、时间和引力的理论,1965,北京,科学出版社.

[2] Weinberg S. Gravitation and Cosmology. New York, Wiley,1972.




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