相隔百年的两块广义相对论“拼图” | 赛先生天文
爱因斯坦在建立广义相对论的时候，提出了几个与引力相关的现象，这几个现象被后人形象地比喻为广义相对论的实测“拼图”，可以用来检验广义相对论是否正确。其中，最著名的两块“拼图”当属引力透镜效应和引力波了。前者在1919年那场著名的日食观测中，成功被人们找到，成为了支撑广义相对论的第一块“拼图”。后者在经历了一个世纪的等待后，也终于在2015年被直接探测到。至此，广义相对论的所有“拼图”都已经被找到。然而故事到这里却并没有进入尾声。
阿尔伯特·爱因斯坦（图源：einsteinpapers.press.princeton.edu）
撰文 | 李顺生（荷兰莱顿大学）
编辑 | 韩越扬 吕浩然
图1：水星轨道进动示意图：水星轨道接近椭圆，但其长轴方向和近日点【蓝色点】随时间而变。（图源：en.wikipedia.org）
图 2：荷兰莱顿Boerhaave博物馆墙外的引力透镜示意图和爱因斯坦场方程。（图源：李顺生）
图 3：双黑洞合并产生引力波过程的假想图。（图源：LIGO/T. Pyle, ligo.caltech.edu）
图 4：光学波动实验中，激光经过微小圆孔后产生的衍射图案。（图源：Wisky, commons.wikimedia.org）
图 5：模拟得到的不同频率引力波受到银河系内一个40倍太阳质量引力透镜作用后产生的衍射图案。（图源：K. Liao et al., iopscience.iop.org）
图6：哈勃望远镜拍下的Abell 2218星系团。其中包含了许多由引力透镜效应产生的弧状结构。（图源：NASA/STScI，hubblesite.org）
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注解：
[注解1] 天文观测发现水星绕太阳的轨道，在每个周期都会有所偏移，即所谓的轨道进动。几何上的表现就是轨道近心点在不断前移。利用牛顿万有引力定律得到的理论值与观测值的分歧，困扰人们多年，直到爱因斯坦利用他新的引力理论，问题才得以被解决。
[注解2] 牛顿绝对时空观下，空间永恒不变，时间恒定流动，互不影响，也不会受到任何其他物质的影响。而爱因斯坦相对时空观下，时间和空间相互联系，且会受到物质的影响。引力波就是物质对时空影响的一种体现。
参考资料
[1] Einstein, A. "Fundamental ideas of the general theory of relativity and the application of this theory inastronomy." Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte(1915): 315.
[2] Einstein, A. "On the general theory of relativity." Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte (1915): 799.
[3] Einstein, A. "Explanation of the perihelion motion of mercury from the general theory of relativity." Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte(1915): 831.
[4] Einstein, A. "The field equations of gravitation." Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte (1915): 844.
[5] Soldner, J. "On the deflection of a light ray from its rectilinear motion, by the attraction of acelestial body at which it nearly passes by." Berliner Astronomisches Jahrbuch (1804): 161.
[6] Einstein, A. "On the influence of gravitation on the propagation of light." Annalen der Physik(1911): 898.
[7] Dyson F. W., et al. "A determination of the deflection of light by the Sun’s gravitational field, from observations made at the totaleclipse of May 29, 1919. " Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A (1920): 291.
[8] Einstein, A."Approximative integration of the field equations of gravitation."Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte (1916): 688.
[9] Abbott, B. P., et al. "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger." Phys. Rev. Lett. (2016): 061102.
[10] Wang, Y., et al. "Gravitational lensing of gravitational waves from merging neutron star binaries." Phys. Rev. Lett. (1996): 2875.
[11] Biesiada M., et al. "Strong gravitational lensing of gravitational waves from double compact binaries—perspectives for the EinsteinTelescope." JCAP (2014): 080.
[12] Ng K. K. Y., et al. "Precise LIGO lensing rate predictions for binary black holes." Phys. Rev. D (2018): 023012.
[13] Li S.-S., et al. "Gravitational lensing of gravitational waves: a statistical perspective." MNRAS (2018): 2220.
[14] Gould, A. "Femtolensing of gamma-ray bursters." ApJ(1992): L5.
[15] Ulmer, A., et al. "Femtolensing: beyond the semi-classical approximation." ApJ (1995): 67.
[16] Katz, A., et al. "Femtolensing by dark matter revisited."JCAP (2018): 005.
[17] Nakamura, T. T. "Gravitational lensing of gravitational waves from inspiraling binaries by a point mass lens." Phys. Rev. Lett. (1998):1138.
[18] Takahashi, R., et al. "Wave effects in the gravitational lensing of gravitational waves from chirping binaries." ApJ (2003): 1039.
[19] Gaudi, B. S. "Microlensing surveys for exoplanets."ARA&A (2012): 411.
[20] Treu, T. "Strong lensing by galaxies." ARA&A (2010):87.
[21] Mandelbaum, R. "Weak lensing for precision cosmology."ARA&A (2018): 393.
[22] Dai L., et al. "Detecting lensing-induced diffraction inastrophysical gravitational waves." Phys. Rev. D (2018): 104029.
[23] Jung S., et al. "Gravitational-wave fringes at LIGO: detecting compact dark matter by gravitational lensing." Phys. Rev. Lett. (2019):041103.
[24] Lai K. H., et al. "Discovering intermediate-mass black hole lenses through gravitational wave lensing." Phys. Rev. D (2018): 083005.
[25] Jung S., et al. "New probe of cosmic strings at LIGO and mid-band: gravitational lensing fringe." arXiv e-prints (2018):1810.04172.
[26] Sereno M., et al. "Cosmography with strong lensing of LISA gravitational wave sources." MNRAS (2011): 2773.
[27] Collett T. E., et al. "Testing the speed of gravitational waves over cosmological distances with strong gravitational lensing." Phys. Rev. Lett. (2017):091101.
[28] Fan X. L., et al. "Speed of gravitational waves from strongly lensed gravitational waves and electromagnetic signals." Phys. Rev. Lett.(2017): 091102.
[29] Liao K., et al. "Precision cosmology from future lensed gravitational wave and electromagnetic signals." Nature Communications(2017): 1148.
[30] Wei J. J., et al. "Strongly lensed gravitational waves and electromagnetic signals as powerful cosmic rulers." MNRAS (2017): 2906.
[31] Yang T., et al. "A new probe of gravity: strongly lensed gravitational wave multi-messenger approach." ApJ (2019): 50.
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