引力波论文原文发表于

爱因斯坦在1916年发表的一篇论文中做出了一个决定，彻底改变了我们对引力的理解。近100年来，爱因斯坦理论的一个关键预测一直没有被直接发现。

在1916年6月预言引力波的论文中，计算了引力波引起的能量损失后，爱因斯坦写道：“由于电子在原子内部的运动，原子将不仅辐射电磁能，还要辐射引力能，即使很小。

引力波物理学是理解宇宙多个方面的关键。其中，引力波实验有可能:

引力波科学的科学回归无疑是巨大的（尽管应该提到所需的投资也很高，个别实验耗资数亿美元）。要了解这种引力波科学，我们必须首先了解引力波是如何产生和探测到的。为此，我们需要理解爱因斯坦的引力理论 - 广义相对论。

有些与直觉相反，广义相对论断言引力不是一种力。相反，它是物体在曲面几何中任意两点之间运动的最短距离的结果。这不是空间的三维几何，而是四维时空的几何(即一个时间加三个空间维度)。

有一个很好比喻，保龄球和蹦床上的弹珠。想象一下把保龄球放在蹦床的表面。它的作用是使蹦床在球周围的一个区域弯曲，类似于太阳等大型物体周围时空的弯曲。

如果我们忽略摩擦力，我们可以想象在蹦床表面滚动一个弹珠，使它绕着保龄球旋转。两个球之间没有作用力——保龄球使蹦床的表面弯曲，而弹珠只是沿着这个曲面的测地线滚动。

类似地，在太阳和地球之间没有“力”起作用——太阳弯曲时空，地球沿着这个弯曲时空的测地线运行。

当我们的小弹珠在蹦床表面滚动时，就像鸭子在水中游动一样，蹦床织物中产生了非常小的涟漪，并从蹦床上移开。

类似地，当任何质量在空间中运动时，时空结构中都会产生涟漪，以光速远离运动物体。这些波纹就是引力波。

对引力波的探测是间接的，因为物理学家只是通过排除其他选项来推断引力波的存在。自20世纪60年代以来，物理学家们一直试图建造引力波探测器，直接探测引力波的存在。

要了解直接探测的方法，我们必须首先了解引力波经过时对粒子的影响。

考虑将一圈粒子放置在一个完美的圆圈中。引力波通过将使这些粒子变形为椭圆形，振荡回一个圆形，然后进入另一个垂直于第一个椭圆形的椭圆形。当引力波穿过我们的测试粒子环时，这种模式将继续。

这种测试质量的运动提出了一种明显的检测方法——迈克尔逊干涉法。干涉测量的基本原理是将一束激光分成两束，每束以直角射向另一束。每一束光都经过一定的距离，击中一面镜子，回到它们分裂的原始点，重新组合，再次形成一束光。

如果不存在引力波，则每个光束将行进相同的距离，并且组合光束将具有由光的重新组合引起的特定干涉图案。但是当引力波穿过系统时，每个臂的相对长度将来回振荡，并且所产生的干涉图案将显示该运动。听起来很容易......

探测引力波的全部困难在于引力波的大小。

我们的蹦床类比也是有用的。一个巨大的保龄球沿着蹦床表面滚动，会产生比我们原来弹珠更大的波纹。同样，与超大质量黑洞相比，地球在太空中的运动产生的涟漪相对较小。

因此，超新星或两个黑洞的合并等奇异事件为大引力波的发射提供了最佳的候选者。所谓“大”引力波，对我们探测还是比较小引力波!最强的波改变粒子位置的幅度不超过1000,000,000,000,000,000,000分之一。

这就是测量这些波的困难之处。为了成功地探测到宇宙中一些最大的引力波，我们需要测量距离的变化，其数量级为1000,000,000,000,000,000,000,000分之一。这个数字解释了为什么用了近100年的时间才探测到引力波!

一个由迈克尔逊干涉仪组成的全球网络已经建立起来，可以直接探测到这些微小的引力波。激光干涉仪引力波观测站(LIGO)位于美国，由三个探测器组成。在意大利比萨附近有室女座探测器，在德国汉诺威附近有GEO600探测器。

2016年，中科院启动了战略性先导 科技 专项（B类）“引力波的多波段测量”，其中包括了空间引力波计划。空间“太极计划”也相继走进大众视野，计划采用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术，瞄准中低频段引力波进行探测和研究，我们国家对引力波的探测还有好长的路要走 “加油祖国”

“太极计划”正在实施背景型号地面研究、双星试验性及发射太极三星的三步走战略。“预计在2020年底完成第一步走，2021年至2025年间以‘太极探测星’项目完成关键技术空间验证，2025年至2033年开展第三步走，实现三星探测计划。”

目前，“太极计划”已初步掌握了超稳干涉仪、高精度相位计、高精度角位移敏感器、低噪探测器和超稳望远镜等关键“当前，在学术与技术竞争严酷的环境中，中国空间引力波探测计划均为预研性计划，应尽快从国家层面整合实力、协调各方的优势力量联合攻关。”核心技术及制作。 “中国 科技 界有决心在引力波的空间检验方面作出重大贡献。”

2分钟解释：什么是引力波？为什么对引力波如此的难以捉摸？

困扰学术界300年的难题：三体问题被米诺维奇解决，才有引力弹弓

西澳大利亚大学的物理学家跟一个国际研究团队合作开创了一项能改进引力波探测器的新技术，该探测器是科学研究人员使用的最敏感的仪器之一。 这项新技术使世界上现有的引力波探测器能达到以前认为只有通过建造更大的探测器才能实现的灵敏度。

这篇发表在《Communications Physics》上的论文由西澳大学ARC引力波发现卓越中心(OzGrav)牵头，与ARC工程量子系统卓越中心、哥本哈根的尼尔斯-玻尔研究所和帕萨迪纳的加州理工学院合作。

来自西澳大学物理系的名誉教授David Blari指出，这项技术将被称为声子的声音振动量子粒子跟激光的光子合并在一起，从而创造出一种新型的放大技术，在这种技术中，合并的粒子来回循环数十亿次而不丢失。

Blair表示：“一百多年前，爱因斯坦证明了光是以小能量包的形式出现的，我们现在称之为光子。”

光子最复杂的应用之一是引力波探测器，它允许物理学家观察由宇宙碰撞引起的空间和时间的涟漪。

“在爱因斯坦预测光子两年后，他提出热和声音也是以能量包的形式出现，我们现在称之为声子，”Blair说道，“声子以其量子形式单独驾驭要棘手得多，因为它们通常被称为热背景的大量随机声子所淹没。”

据悉，Blair曾因其对首次探测引力波的贡献而被授予2020年著名的总理科学奖。

论文的第一作者Michael Page博士表示，诀窍是将声子和光子结合在一起，使广泛的引力波频率可以同时放大。

“这项新突破将让物理学家观察到已知宇宙中最极端和最集中的物质，因为它坍缩成一个黑洞，当两颗中子星相撞时就会发生这种情况，”Page博士说道。

Blair表示，这些波形听起来就像一个简短的尖叫声，由于其音调太高，所以目前的探测器无法听到。

“我们的技术将使这些波形清晰可闻，并且还将揭示中子星中的中子在这种极端状态下是否会被分裂成被称为夸克的成分。看到核物质变成黑洞最令人兴奋的是，这个过程就像创造宇宙的大爆炸的反面。观察这种情况的发生就像观看一部向后播放的大爆炸电影。”

Blair表示，虽然该技术并不代表改进引力波探测器的即时解决方案，但它提供了一条低成本的改进途径。

黑洞

爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出；而多大质量的恒星会塌陷为黑洞则是印裔物理学家昌德拉塞卡的功劳——昌德拉塞卡极限（白矮星的质量上限）。

引力透像

有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。

引力波

广义相对论还预言了引力波的存在（爱因斯坦于1918年写的论文《论引力波》），引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。

时空关系

相对论是现代物理学的理论基础之一。论述物质运动与空间时间关系的理论。20世纪初由爱因斯坦创立

广义相对论

并和其他物理学家一起发展和完善，狭义相对论于1905年创立，广义相对论于1916年完成。19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。 狭义相对论提出两条基本原理。（1）光速不变原理：即在任何惯性系中，真空中光速c都相同，约为3*10^8m/s，与光源及观察者的运动状况无关。（2）狭义相对性原理：是指物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。

爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量。

万有引力

扭曲会产生一个加速度，也就是万有引力

广义相对论：是一种关于万有引力本质的理论。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是，他将狭义相对性原理推广到广义相对性，又利用在局部惯性系中万有引力与惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的黎曼几何描述引力的广义相对论理论。

狭义相对论

狭义相对论与广义相对论：狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是平直的四维时空，而广义相对论则适用于包括非惯性系在内的一切参考系，它的时空背景是弯曲的黎曼时空。

在600千米的距离上观看十倍太阳质量的黑洞（模拟图），背景为银河系。