揭秘引力波方程式的破解

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什么是引力波？

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共变性的结果之一，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。

引力波方程式

在天文学家看来，继宇宙大爆炸之后，最富有活力的事件当属两个各自旋转、具有漩涡的黑洞合并为一个更大的黑洞了。那么，是什么力量促使它们发生这样的巨变呢？

以英国剑桥大学为首的一个国际天文学家团队，揭示了宇宙中这一壮观事件，解开了数十年来描述在双星系统轨道上的两个各自旋转黑洞螺旋式碰撞的方程式。

剑桥团队发表在最新一期《物理评论快报》上的科研结果，不仅影响了之前对黑洞的研究，而且有助于加快科学家对宇宙中难以捉摸的引力波（一种由爱因斯坦广义相对论预测的辐射）的搜寻。

据物理学家组织网站日前报道，不像行星与太阳的平均距离不随时间变化那样，广义相对论预言两个黑洞彼此靠拢，并作为一个系统释放出引力波。

该论文第一作者、德克萨斯大学达拉斯分校的迈克尔博士说“加速电荷，像电子一样，产生包括可见光波在内的电磁辐射。同样，任何时候你有一个加速质量，就可以产生引力波。”输送给引力波的能量会导致两个黑洞螺旋式靠拢，直至合并，这是宇宙大爆炸之后最有意义的事件。那种能量不像可见光那样很容易看到，而是更为难以察觉的引力波。

迈克尔博士说，尽管爱因斯坦的理论预言了引力波的存在，但人们还不能直接探测到它们。根据广义相对论，巨大的天体会扭曲环绕它们的时空，就像一个保龄球落入一片橡胶薄皮上，导致天体，即使是光线，也得沿着曲线路径前行。当两个极度密集的天体，例如中子星（这种恒星如此密集以至于原子里的质子和电子坍塌形成中子）或者黑洞，它们成对出现彼此环绕，之间的相互作用会在时空上产生波纹，也就是所谓的引力波。

迈克尔博士强调，通过一定的工具，比如是“看到”的引力波，就可以为观察和研究宇宙打开了新的窗口。光学望远镜可以捕捉可见物体的照片，如恒星和行星，而无线电和红外望远镜可以揭示肉眼看不到的更多信息。引力波为研究天体物理现象提供了一个定性的新媒介。

该论文的合著者之一、剑桥应用数学和理论物理系博士研究生大卫·杰罗萨说，“用引力波作为观测工具，可以了解数十亿年前黑洞发射这些波的特点，如质量和质量比率的信息，这些都是充分了解宇宙特性及进化的重要数据。”

据悉，今年晚些时候，当美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）升级和欧洲Virgo实验天文台完工时，它们将揭示隐匿的引力波。这些观测将不仅仅证明引力波的存在，还将提供有关产生引力波的罕见信息。与此，“丽莎”探路者的使命就是为将在空间建立一个具有较高灵敏度的引力波探测器进行测试。

该论文合著者之一、剑桥中心理论宇宙学成员乌尔里希博士说“我们解决的方程式将有助于预测LIGO看到双黑洞合并的引力波特性，我们期待将这个解决方案与LIGO搜集的数据进行比较。”

研究人员解开的方程式，有助于专门解释双黑洞的自旋角动量和被称为岁差的现象。研究人员解释说“岁差现象，就像一个旋转的陀螺，随着时间黑洞双旋改变着方向，而这些黑洞自旋的行为就是理解其进化的一个关键部分。”

正如开普勒研究地球绕太阳的轨道运动和发现轨道可以是椭圆、抛物线或双曲线那样，研究人员发现，黑洞双旋根据其旋转性能，可以分为三个不同的阶段。，研究人员还导出有关方程式，将有助于精确跟踪这些从黑洞形成到合并的自旋相位，比以前的方法更快和更有效。

研究人员说“采用这些解决方法，我们可以创建计算机模拟数十亿年来黑洞的演化，而以前一个需要几年模拟的现象，现在可以在几秒钟内完成。它不只是快，我们还可以从模拟结果中获得一些新的发现。”

引力波、方程式……这些将为人类带来对黑洞的新认知。现在，借助于引力波信号，人们就可以更好地解读宏大宇宙的奥秘。