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北京时间2016年2月11日23点30分,美国国家科学基金会宣布人类首次直接探测到了引力波。这是人类首次直接探测到引力波,也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”。本文集主要介绍引力波的相关概念、原理、意义等方面介绍这项诺贝尔奖级别的重大科学发现

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王凯
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序言

序言

北京时间2016年2月11日23点30分,美国国家科学基金会宣布人类首次直接探测到了引力波。这是人类首次直接探测到引力波,也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”。本文集主要介绍引力波的相关概念、原理、意义、未来展望等方面介绍这项诺贝尔奖级别的重大科学发现。

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第1章 什么是引力波
1.爱因斯坦的宇宙——弯曲空间与引力波
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来源:《大科技(科学之迷)》 2004年第08期 作者:
2.浩宇微澜:引力波之谜
李宇
在美国华盛顿州的汉弗德,广袤的荒原上,两支巨臂从一个基点出发向外伸展,两者之间呈直角,构成一个L的形状。从空中俯瞰下去,那张开的双臂似乎正静静等待着什么东西的到来。这就是耗资3.6亿美元建成的LIGO,即激光干涉引力波探测天文台。建造它的目的就是为了捕捉并证实这浩瀚的   详情>>
来源:《百科知识》 2005年第08期 作者:李宇
3.原初引力波与暴胀宇宙学
夏树
2014年3月17日,天文学家宣布在宇宙微波背景辐射中发现了B模式偏振。根据暴胀宇宙学模型的预言,B模式偏振是宇宙诞生之初产生的原初引力波留在宇宙微波背景辐射中的特殊痕迹。引力波作为广义相对论的重要预言,至今没有得到确证,这一发现是引力波理论提出以来关于引力波存在的最重要证据。同时...   详情>>
来源:《科学文化评论》 2014年第02期 作者:夏树
4.引力波特性新探讨
陈方培
以Einstein场方程和Lorentz LeviCivita守恒律为基础 ,对引力波是否传播能量、动量问题进行了新的探讨 .对物质体系在发射和接收引力波时的能量转换作了新解释 .提出和论述了可藉背景引力波的谱型来检验引力波是否携带能量   详情>>
来源:《大连理工大学学报》 2000年第05期 作者:陈方培
5.引力波应该是非线性波
张一方
基于非线性引力场方程的引力波一般应该是非线性波,具有某些不同于电磁波的特性,笔者对此定量讨论了方程的一些解,指出了引力波的非线性特性来源于引力场的非线性本质.   详情>>
来源:《吉首大学学报(自然科学版)》 2009年第01期 作者:张一方
6.暴涨宇宙与原初引力波
李新洲
暴涨宇宙和原初引力波是当前基础物理学研究的热点.BICEP2团队在CMB中测量到大的张标比,这提供了暴涨宇宙的一个直接证据,证明了原初引力波确实存在,并在量子理论与广义相对论之间建立了桥梁.   详情>>
来源:《上海师范大学学报(自然科学...》 2014年第04期 作者:李新洲
7.宇宙中的几类引力波源
张杨;赵文
本文讨论了引力波的基本概念,介绍了作为引力波探测计划目标的几种较重要的发射源,包括周期性源、突发式源、以及早期宇宙残余的引力波。文中还介绍了近期引力波源研究的一些结果,包括我们最近得到的加速膨胀宇宙中的残余引力波能谱以及引力波探测最新现状。   详情>>
来源:《紫金山天文台台刊》 2004年第Z1期 作者:张杨;赵文
8.人工与天体引力波源
柯惟力
引力波是广义相对论的重要推论之一。科学家们希望能直接探测到引力波,但是由于产生机制的不同,引力波远弱于电磁波,而人工引力波源产生的引力波目前无探测可能。宇宙中虽然存在大量的天体引力波源,但传到地球上的信号都很弱。目前,科学家们已设计出几种实验装置去探测引力波。   详情>>
来源:《江苏广播电视大学学报》 2002年第03期 作者:柯惟力
第2章 引力波探测研究
1.引力波的验证与探测──从爱因斯坦到泰勒、赫尔斯
夏立容
引力波的验证与探测──从爱因斯坦到泰勒、赫尔斯夏立容瑞典皇家科学院将1993年度诺贝尔物理奖授予美国物理学教授泰勒(J.H,TaylorJr)和他的学生、同事赫尔斯(R,A,Hl1lse),表彰他们发现新型脉冲双星,并通过连续观测和计算证实了引力波的...   详情>>
来源:《自然辩证法研究》 1995年第07期 作者:夏立容
2.引力波探测的现状和意义
王海英
引力波是广义相对论的一个理论预言。 1916年爱因斯坦创立广义相对论 ,揭示了一个全新的时空观念 :时间和空间并非绝对和独立地存在 ,它们是相互联系的 ,由物质分布和运动所决定的属性。在时空中运动的物质 ,其轨迹由时空曲率决定。这种时空结构的几何化概念 ,对引力的本质提出   详情>>
来源:《现代物理知识》 2002年第04期 作者:王海英
3.世界引力波探测发展
柯惟力
引力波是广义相对论的重要推论之一。引力波探测将有可能打开又一扇天文观测的窗口 .上世纪至今 ,世界少数发达国家倾注大量的人力、物力、财力于引力波的实验探测。改进的共振棒探测器已组成一个棒天线阵在运行中。在室内模型激光干涉引力波探测器的基础上 ,几个野外大型激光干涉引力波探测器...   详情>>
来源:《世界科技研究与发展》 2003年第01期 作者:柯惟力
4.空间激光干涉引力波探测
罗子人;白姗
为印证广义相对论和开拓引力波天文学窗口,引力波探测是当前国际研究热点.本文围绕空间激光干涉引力波探测,对其科学意义、发展状况、关键技术等进行了回顾.与地面激光干涉引力波探测相比,空间探测的工作频段更低,从104~10Hz,在工作距离为百万公里量级上,预计能探测到双致密星系统、超大质量...   详情>>
来源:《力学进展》 2013年第04期 作者:罗子人;白姗
5.引力波探测的光学方法
吴馨怡;梅子文
引力波将会向人类提供更多关于这个广袤宇宙的信息.科技的进步终于使人类有能力建造足够灵敏的实验仪器来探测抵达地球的微弱波动.本文首先从力学入手,讨论引力波与物体的相互作用.然后,应用在光学课上所学的知识探究目前世界上最大的科学合作项目之一LIGO的基本原理,考虑实际操作中的部分参数...   详情>>
来源:《大学物理》 2015年第06期 作者:吴馨怡;梅子文
6.漫谈引力波探测
唐江凌;梁伟红
爱因斯坦广义相对论预言了行星进动、引力红移、光线偏折、回波延迟等物理事实,而“存在引力波”是爱因斯坦广义相对论的另一重大预言。根据广义相对论,我们从爱因斯坦广义相对论引力场方程的弱场近似可得线性近似的引力波解;引力波是横波,能以光速穿过真空。引力波非常弱:若一   详情>>
来源:《现代物理知识》 2007年第02期 作者:唐江凌;梁伟红
7.引力波与引力波探测
李芳昱;张显洪
一、引力波探测的主要背景引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一,未来在引力波探测的研究中所获得的突破,将可能比其他预言产生更为巨大而深远的影响,甚至大大促进人类文明的进程。1916年爱因斯坦发表了他的广义相对论,并在该理论的基础上预言了   详情>>
来源:《现代物理知识》 2005年第04期 作者:李芳昱;张显洪
8.引力、引力波和引力波的探测
薛凤家
简要地回顾了引力和引力波概念的由来,以及人们为探测引力波所作的各种努力.   详情>>
来源:《大学物理》 2004年第11期 作者:薛凤家
9.引力波、引力波源和引力波探测实验
唐孟希;李芳昱
引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一。除了PSR1 91 3 + 1 6引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外 ,科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在。由于人类目前的技术水平还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波 ,而宇宙中存在大量大质量、高...   详情>>
来源:《云南天文台台刊》 2002年第03期 作者:唐孟希;李芳昱
10.引力波理论和实验的新进展
黄玉梅;王运永
引力波的存在是爱因斯坦在广义相对论理论中提出的一个重要预言.由于目前技术水平的限制,无法在实验室产生足以被探测到的引力波,因此宇宙中大量的大质量剧烈活动的天体成为科学家研究引力波的首选,从而诞生了引力波天文学.引力波探测将开启研究宇宙的新窗口,是继电磁辐射、宇宙线和中微子探...   详情>>
来源:《天文学进展》 2007年第01期 作者:黄玉梅;王运永
11.引力波探测的未来
邓雪梅
<正>●在经历了二十年的漫长岁月并耗资超过5亿多美元,世界上最大的引力波探测器——LIGO——或将成为对引力波探测最为敏感的仪器。然而近十年来,LIGO的首要任务是搜寻引力波,但却没有任何发现。随着设备的升级,该项目将面临不得不最终兑现其承诺的残酷现实。在路易斯安那州巴吞鲁日东面的湿...   详情>>
来源:《世界科学》 2014年第09期 作者:邓雪梅
第3章 引力波探测仪器
1.引力波探测仪——人类洞察宇宙世界的时空隧道
全释
整整一百年前,爱因斯坦发表了著名的广义相对论。他以一种全新的视角来看待牛顿所认为的恒古不变的宇宙。引力,这个牛顿看来属于上帝之手的“第一推动”,而在爱因斯坦眼中不过是物体在宇宙弯曲空间运动的自然结果。广义相对论曾给出四个著名的预言:光线弯曲、引力红移、黑洞存   详情>>
来源:《国外科技动态》 2005年第02期 作者:全释
2.世界引力波探测网的现状
柯惟力
引力波是广义相对论的重要推论之一,迄今为止尚未被直接探测到。上世纪末共振棒引力波探测网曾联合运行.历经十余年的努力,世界激光干涉引力波探测网已经初步形成。今后一、两年将会同步运行。最新的关于中子双星的天文观测和分析给引力波探测带来了希望。   详情>>
来源:《天文研究与技术.国家天文台...》 2005年第03期 作者:柯惟力
3.引力波和引力波望远镜的发展
程景全;杨德华
简要回顾了广义相对论中相关的引力波理论,讨论了对引力波进行探测的重要意义和几种可能的途径;系统介绍了近50年来国际上对引力波进行探测的主要活动,以及当前几个具有代表性的引力波望远镜工程的进展。   详情>>
来源:《天文学进展》 2005年第03期 作者:程景全;杨德华
4.激光干涉仪引力波探测器
王运永;朱兴江
引力波的存在是爱因斯坦在广义相对论中提出的一个重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。经过近半个世纪的艰苦努力,随着几个大型激光干涉仪引力波探测器在21世纪初的出现并于近几年达到前所未有的灵敏度,引力波探测进入了一个崭新的时代。人类有望在第二代地基激光干涉仪引...   详情>>
来源:《天文学进展》 2014年第03期 作者:王运永;朱兴江
5.世界最大的引力波探测仪——LIGO
1985年,美国加州理工学院的一群天体物理学家向国家科学基金会提交了LIGO计划的建议,要求建造一对探测臂长4公里的激光干涉仪。建造这个装置需要花费数亿美元,但没人敢保证这个装置是否真能探测到引力波,而且也没有人知道类似黑洞碰撞这样的引力波到达地球的可能性是多少,毕竟   详情>>
来源:《国外科技动态》 2005年第02期 作者:
6.美国LIGO激光干涉引力波观测站
吴江滨
元月美国LIGO(laserinterferometer Gravitational Wave Observatory激光干涉引力波观测站)发布了一篇重要研究成果.他们宣布在对去年发生的宇宙珈玛射线爆跟踪观测过程中,未能发现引力波存在的证据.这一结果让很多对这次观测寄予厚望(发现引力波)的科学家感到失望.LIGO一共由   详情>>
来源:《物理通报》 2008年第02期 作者:吴江滨
7.The Legend of LIGO——An Interview with David Reitz...
<正>As the most expensive project ever funded by the U.S.National Science Foundation,the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(LIGO)aims at fully testing the existence of gravitation waves predicted by Albert Einstein and opening a new gateway for astrono...   详情>>
来源:《Bulletin of the Chinese A...》 2015年第03期 作者:
8.未来太空中的引力波观测台——LISA
薛兖
这个位于太空中的引力波探测仪完全解决了目前地面引力波探测仪深受地球表面各种震动干扰的缺憾,能够探测到来自宇宙中频率非常低的微弱引力波。LISA的构造LISA太空飞行器的本体结构很像一个圆环,里面有一个呈Y字形的仪器舱。Y字的两个端臂各安置一...   详情>>
来源:《国外科技动态》 2005年第03期 作者:薛兖
9.空间引力波探测计划-LISA系统设计要点
王智;马军
为了验证广义相对论,世界各国竞相开展了空间引力波探测方面的研究。本文以欧洲空间引力波探测LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划为例,根据基线设计,对LISA系统有效载荷及主要组件的设计进行了分析和阐述。LISA主要探测和研究低频引力波辐射,其工作频段为10-3~1 Hz,工作距离为5×...   详情>>
来源:《中国光学》 2015年第06期 作者:王智;马军
10.LISA引力波探测器与关键技术分析
赵艳彬;王孝东
本文介绍了国外正在开展LISA引力波探测器的意义、任务目标、探测的组成原理。在此基础上分析了探测器的关键技术激光干涉测量、FEEP高精度微推力器、无拖曳控制等技术,希望对我国开展类似的工程研究有一定参考作用。   详情>>
来源:《中国宇航学会深空探测技术专...》 2010年第期 作者:赵艳彬;王孝东
第4章 引力波天文学——应用与展望
1.引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口
王运永;朱宗宏
<正>引力波是爱因斯坦"广义相对论"最重要的预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉科学,由于引力辐射独特的物理机制和特性,使得引力波天文学研究的范围更广泛﹑更全面,物理分析更精确﹑更深刻。它以全新的探测理念和探测...   详情>>
来源:《现代物理知识》 2013年第04期 作者:王运永;朱宗宏
2.空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成
龚雪飞;徐生年
空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中...   详情>>
来源:《天文学进展》 2015年第01期 作者:龚雪飞;徐生年
3.遗迹引力波对宇宙微波背景辐射极化的影响
雷中华;兰明建
根据宇宙大爆炸理论的预言,宇宙经历了由暴涨阶段到辐射阶段到物质阶段再到如今的加速膨胀阶段.在辐射阶段所残留的退耦的自由光子便形成了现在人们所观测到的宇宙微波背景辐射.如果没有扰动,微波背景辐射将是各向同性的,但是在宇宙形成的初期存在各种各样的扰动,因此宇宙微波背景辐射呈现各向...   详情>>
来源:《物理学报》 2008年第11期 作者:雷中华;兰明建
4.宇宙微波背景辐射中发现引力波:暴涨论接近证实
晨风
<正>据《物理世界》网站报道,近日南极望远镜(SPT)在宇宙微波背景辐射(CMB)中探查到光线的细微弯曲,这被称作"B模极化"。这一现象在科学界预言已久,此次对其存在的证实,将为最终对大爆炸宇宙学中的一项关键理论,即暴涨理论进行验证铺平道路。查克·本内特(Chuck Bennett)是美国约翰·霍普金斯...   详情>>
来源:《中学语文》 2013年第26期 作者:晨风
5.脉冲星发现40年——爱因斯坦预言引力波的验证
张承民
<正> 2007年是脉冲星发现40周年,其间,诺贝尔物理学奖曾两次光顾脉冲星的发现,其原因何在?爱因斯坦关于引力波的预言是如何被验证的?脉冲星发现者的举世成就和诺贝尔奖的是非恩怨再次成为关注话题。发现脉冲星1967年8月,剑桥射电天文台的女研究生贝尔(Jocelyn Bell)在纷乱的记录纸带上察觉到一...   详情>>
来源:《科学》 2007年第04期 作者:张承民
6.引力波探测和引力波天文学
曹周键
<正>一、引力波理论基础引力相互作用是目前人类已经认识的四种基本相互作用之一。广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的引力理论。在现有的引力理论中,广义相对论是能通过到目前为止所有引力实验检验的、最为简洁的引力理论之一。光线偏折、时间延迟、引力红移、黑洞等广义相对论的理论预言一...   详情>>
来源:《现代物理知识》 2015年第05期 作者:曹周键
7.引力波与光线近日偏折
伍岳明
先回顾了爱因斯坦在1915年的光线近日偏折的预言,然后提出了共旋引力波假说,对引力本质、光线近日偏折机理提出探索性意见。认为一个匀角速度自旋的系统,系统中每个质点均会产生向心力,该力作为受迫振动的强迫力使系统共振,稳定的共振状态的自旋系统会从自转轴中心始发出频率与自旋频率相同的...   详情>>
来源:《浙江工业大学学报》 2004年第01期 作者:伍岳明
8.彗木相撞中的惯性引力波
包纲 ;陈道汉
苏梅克-列维9号彗星(SL9)与木星相撞后,在木星上观测到的以常速度(-450 m/s)向外扩展的圆环意味着这是碰撞在木星大气中引起的线性波动.我们选取:非旋转、无粘性、密度分层、不可压缩的木星大气模型,而且木星大气以水平速度U=b+az运动;给出初始扰动压力p(r;0)作为碰撞的初始条件,用流体力学方...   详情>>
来源:《天文学报》 2004年第03期 作者:包纲 ;陈道汉
9.关于宇宙中存在负质量物质和引力波的猜想
苏燕飞
根据爱因斯坦相对性原理的发展和引力场与电场的类同特点 ,预言了负引力质量物质和引力波存在于宇宙中 ,论证了哈勃定律 ,解释了宇宙膨胀的现象和水星轨道的旋进 .   详情>>
来源:《山西师范大学学报(自然科学...》 2001年第04期 作者:苏燕飞
10.旋转致密双星的引力波特征
王玉诏;伍歆
研究了轨道和旋转效果到2.5阶后牛顿旋转致密双星拉格朗日动力学与引力波的关系,分析了有序和混沌轨道的引力波特征.发现当加速度不考虑辐射项时,有序双星系统辐射的引力波具有周期或拟周期的特征,而混沌双星系统辐射的引力波却具有明显的混沌特征.当加速度含有辐射项贡献时,双星必会出现并合...   详情>>
来源:《物理学报》 2012年第16期 作者:王玉诏;伍歆
第5章 中国引力波研究
1.爱因斯坦引力波探测:中国在行动
汤克云;康飞
一、引力波和引力波探测的 重大科学意义 爱因斯坦广义相对论将引力场和时空结构联系起来。它指出,质量的存在导致时空弯曲(图1)。广义相对论曾给出四个著名的预言:光线弯曲、引力红移、黑洞存在和引力波存在。引力波存在是广义相对论最重要的预言,对爱因斯坦引力波的探测是近   详情>>
来源:《科学中国人》 2004年第06期 作者:汤克云;康飞
2.CEGO:中国爱因斯坦引力波探测
汤克云;康飞
3.引力波探测的中国脚步
本报记者 刘园园
张承民:中国在贵州建设500米口径射电望远镜(FAST)方面,把引力波作为探测目标之一。也就是说,后来引力波这项计划就转变成为FAST的科学目标之一,它未来可以通过监测毫秒脉冲星的空间位置变化,检验引力波的直接证据。此前在上海建成的65米...   详情>>
来源:《科技日报》 2016-02-14 作者:本报记者 刘园园
4.“捕捉”引力波的中国力量
本报记者 邓晖 吴春...
而立志“到太空去捕捉引力波的声响”的“天琴计划”则由中山大学于2015年7月23日牵头启动,主要是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。中山...   详情>>
来源:《光明日报》 2016-02-14 作者:本报记者 邓晖 吴春...
5.待引力波拨动了“天琴”的弦
左文文
<正>音乐会中那一承上启下的乐章爱因斯坦堪称物理学界最重要的主角之一。继1915年提出广义相对论后,他成功地将相对性原理推广至一切参考系。广义相对论描述了时空弯曲如何受物质决定,物质运动如何受时空弯曲的影响。它革新了人类对于时空本质的经验认识。要想人们从理性上接受它,必须提供出...   详情>>
来源:《科技导报》 2015年第19期 作者:左文文
6.专家呼吁尽快建设引力波探测器
高冰洋 ;马亚宁
中国工程院院士、上海理工大学光电信息与计算机工程学院院长庄松林表示,受观测技术和条件限制,我国引力波研究与发达国家还有一定差距。“目前,国内已有不少科学家参与过国外的引力波天文台建设,如果能联合起来自主创新,并将其列入国家大科学工程项目...   详情>>
来源:《科技日报》 2014-10-17 作者:高冰洋 ;马亚宁
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