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引力波是如何产生的?为什么测出来会比光速慢?

现在我们已经说完了量子力学和相对论,这两个现代物理学的两大支柱,我觉得作为科普,作为一个人的兴趣爱好,以及饭后的谈资,知道这些就足够了。

下次再有人问,什么是量子力学?你就能毫不犹豫地回答,这是研究物质的组成,以及微观粒子运动规律的一套理论。比如,电子是什么?电子在原子中怎样运动?

那什么是相对论?这是研究时空和物质相互作用的一套科学理论,比如,你相对于我在空间中发生运动,你就会和我处在不同的时间和空间中,你的时间会变慢,空间会收缩。

但是我们对时空这个整体的测量是一样的,即:所谓的光速不变原理。说简单就是,你和我虽然测量的时间和空间不同,但是当我们在各自的时空中利用测得的结果算出来的光速却是一样的。

所以相对论也可以叫绝对论,绝对光速,绝对时空不会发生变化。(注意这里不是,绝对空间,也不是绝对时间,而是绝对时空)。

你这样一回答,别人就会觉得,你这还知道的不少!其实我们心里窃喜,我们也只是知道个皮毛而已。

好了,我们说正题!

相对论和量子力学都诞生于上世纪的20年代,到今天已经整整过去了一百多年,这两套理论经历了无数的风雨和磨练,现在依旧被当作指导现代科学发展的基础理论。

尤其是相对论,一直以来人们对待它十分的谨慎,并不是不相信它是正确的,只是它做出了的很多预言都非常的惊人,让人不由得就开始怀疑,这玩意说的到底准不准?

所以相对论从诞生到现在可以说是经历了非常严苛的审查,以往的任何一个科学理论从来都没有受过这样的待遇。

我们不断地在验证相对论的预测,却不断地发现爱因斯坦都是对的。

前面的文章中我们说过的检验实验有,引力探测器A和B,这个是在验证地球在自转时候对周围空间的拖拽现象,以及测地线效应,也就是有地球质量引起空间弯曲。

还有铯原子钟做飞机飞行的实验,验证了狭义相对论造成的时间膨胀,以及引力造成的时间膨胀。

星光弯曲实验这个就不用说了,还有“庞德-雷布卡实验”验证了引力红移和蓝移,这跟引力时间膨胀是一回事。

观测到引力透镜效应,这个和星光弯曲是一回事。最重要的一次验证,也被称为是验证广义相对论最后的一块拼图,就是2016年2月宣布的引力波探测器LIGO检测到了来自13亿光年以外两个黑洞合并产生的引力波。

引力波的发现可以说是一个圆满的结局,广义相对论的所有预测都成功接受了检验,爱因斯坦一路高歌猛进,从来就没有错过。

那么什么是引力波?

这是一个非常神奇的预测,引力波其实就是空间自身产生的涟漪,比如向水面扔一块石头,会在水面上激起涟漪,并且向四周扩散;

如果你把一块物质突然扔到空间中,它会导致空间弯曲,这个弯曲变化的速度也会向四周扩散,水波传播的介质是水,而引力波传播时候的介质就是空间本身。

爱因斯坦在建立广义相对论的时候,当时对标的就是电磁理论,也是基于场的概念在建立引力理论,电磁理论中有电磁场,在引力理论中就有引力场。

电磁场其实就是一种波,电磁波,电子在加速运动的时候就会释放出电磁波。那么爱因斯坦也认为物质在空间中加速运动的时候也会释放出一种波,叫引力波。

这个可以理解为,在水面上有两个小球,它俩互相旋转的时候,就会产生波纹向外传播。在空间中也一样,两个大质量的天体互相旋转的时候,也会扰动空间,造成空间剧烈的振荡,就会产生引力波,向周围扩散,同时带走能量。

我们的地球在绕着太阳旋转的时候,也是在太阳的引力场中做加速运动,所以也会释放出引力波,并且带走地球的轨道能量。

因此地球正在逐渐缓慢地靠近太阳,不过不用担心,这个能量损耗非常缓慢,至少需要10^150年,才能让地球撞向太阳。这个数字是多少已经不重要了,总之它很大,大得无法形容。

由于引力非常的弱,是四种基本作用力中最弱的一种力,只有电磁力的亿亿亿分之一,所以引力波很难被探测到,像地球这种引力波,基本上就跟没有一样。

所以我们想检测到引力波,只能找那些宇宙中质量非常大的天体,且这些天体正在发生毁灭性的时间;

比如有一类短时间、强度大、脉冲式的引力波,是由超新星爆发、两颗黑洞合并末期发出的。

还有一类引力波虽然强度低了一点,但是非常的稳定,持续时间长,这类引力波是由大质量双星互相环绕产生的,比如中子星和白矮星。

2016年探测到的引力波就是黑洞产生的,但是黑洞没有光信号,我们也无法判断引力波的一些性质,比如它的传播速度之类的。

不过就在2017年10月LIGO又在距离地球只有1.3亿光年的星系NGC4993中,接收到了来自两颗中子星发生合并产生的引力波。

并且看到了这次事件产生的电磁信号,当时全球使用了大量的望远镜观测这次事件爆发的天区,最后有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到了爆发天区,其中就有我国的X射线天文卫星“慧眼望远镜”。

这次事件对引力波传播速度的测量发现,引力波和光速基本上一致,穿越1.3亿光年,光信号稍微慢了1.7秒。认为是中子星合并以后周围的气体阻碍或者遮挡,导致光信号稍微延迟。

引力传播是通过空间,所以并不会发生受阻现象。所以认为它俩的速度是一致的。

引力波的发现,以及对其速度的测量,再一次验证了广义相对论的正确性和准确性。空间不仅会因为物质而弯曲,还会以涟漪的形式向外传播能量。

不过,广义相对论越是得到验证,越是正确,对科学家说或许并不是一个好事,因为广义相对论和量子场论是不相容的。

这意味着,它俩中间有一个是错误的,或者说是不完备。

下节课,我们说量子场论和广义相对论那里不相容。忘了说,如何测量引力波?这个原理其实和迈克尔逊-莫雷实验一样,也是干涉仪,只不过LIGO的悬臂4千米长。

引力波来了以后,会造成两条垂直悬臂分别发生收缩和拉长,这样就导致了光路距离发生变化,进而造成两路光在返回以后干涉出现变化。

由于引力波非常弱,对干涉仪悬臂造成的长度变化极其微小,因此我们要想探测到更多,更弱的引力波事件,只能建造更大的引力波探测器,更大就意味着有更长的悬臂。

比如LISA引力波探测器,由三个绕太阳运行的卫星组成,这个够大吧。希望人类有一天能够发现宇宙暴涨时期留下的引力波信号,这个引力波信号应该是处处均匀的十分微小的波动,充满整个空间,它应该能告诉我们,上帝的一些信息。