cupt论文格式

谈起引力波，就必须先讲讲爱因斯坦广义相对论下的四维时空。在爱因斯坦的思想里，引力不再是普通的力，而被理解成时空结构的弯曲。比如地球绕太阳公转这一运动，可以想象成在一个橡胶膜中间丢一个大质量的球，然后这个平面就凹陷下去了，于是地球本身的直线运动就会随着空间结构的改变，变成绕太阳的旋转。在2013年的大学生物理学术竞赛（CUPT）中，我也曾做过这个实验。

大质量的物体会改变空间的结构，而加速运动的物体则可能产生一种能改变空间结构的波。这一般被称为时空涟漪，也就是引力波（gravitational wave）。

引力波作为爱因斯坦广义相对论的四个预言之一（其他三个是：引力场内的时间膨胀，光的引力红移，以及引力时间延迟效应），是最后一个被直接观测到的现象。1935年，纳森·罗森和爱因斯坦共同将著名的爱因斯坦场方程简化到二维圆柱状宇宙后，获得了这个方程的解析解。正是在这个解析解中，他们发现了引力波的存在。

起初，科学界包括罗森和爱因斯坦自己在内都不相信引力波在实际意义上真正存在。他们起初将其解释为在解方程过程中因坐标选择而产生的人为产物，并尝试发表论文声明这一观点。不过，霍华德·罗伯特逊，一位对广义相对论非常了解的美国数学物理学家，在审阅他们的论文后，一针见血地指出这一观点存在错误，并驳回了那篇论文。而后，在与爱因斯坦的讨论中，罗伯特逊说服了爱因斯坦。然而直到七十年代，“引力波是真实存在的”这一观点才几乎被所有的物理学家所接受。

根据爱因斯坦的预测，引力波经过的地方，时空的结构会发生波动性的改变。想象空间里的一个正方形，原本每个边的长度是相同的，当引力波经过的时候，会挤压或拉伸这个正方形，而使得它的边长发生非常非常微小的变化。测量两个方向上的距离改变，也就是测量引力波的基本原理。但是，由于这种改变非常微小，测量也就非常非常困难，以至于有时科学家们也会怀疑最终是否能够测量到引力波。据说，一个激光干涉引力波天文台项目的领头人曾在讲座上说，“有时候我在床上躺在老婆旁边，就在想，天哪，过去的20年我花了国家那么多钱，却没有测到引力波。为什么我还好好地活在这里? 真应该自杀去!”

二十多年的努力却没有探寻到结果, 的确很让人绝望。不过，科学家们始终坚持不懈，也是因为有点底气。1974年，拉塞尔·赫尔斯在他博士最后一年写论文的时段，跑到康奈尔大学的阿雷西博天文台做访问学者，其间与约瑟夫·泰勒合作做了大量关于脉冲星的研究，并在其中发现了脉冲双星PSR B1913+16。通过对其长期的观测和深入研究，他们发现双星之间的距离在以每天左右的速度缩短，且周期在缓慢地衰减，说明能量在耗散。而能量的耗散，正是引力波存在的间接证据！因为这项成就，他们被授予1993年的诺贝尔物理学奖。