引力波是如何產生的?為什麼測出來會比光速慢?


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引力波是如何產生的?為什麼測出來會比光速慢?

現在我們已經說完了量子力學和相對論,這兩個現代物理學的兩大支柱,我覺得作為科普,作為一個人的興趣愛好,以及飯後的談資,知道這些就足夠了。

下次再有人問,什麼是量子力學?你就能毫不猶豫地回答,這是研究物質的組成,以及微觀粒子運動規律的一套理論。比如,電子是什麼?電子在原子中怎樣運動?

那什麼是相對論?這是研究時空和物質相互作用的一套科學理論,比如,你相對於我在空間中發生運動,你就會和我處在不同的時間和空間中,你的時間會變慢,空間會收縮。

但是我們對時空這個整體的測量是一樣的,即:所謂的光速不變原理。說簡單就是,你和我雖然測量的時間和空間不同,但是當我們在各自的時空中利用測得的結果算出來的光速卻是一樣的。

所以相對論也可以叫絕對論,絕對光速,絕對時空不會發生變化。 (注意這裡不是,絕對空間,也不是絕對時間,而是絕對時空)。

你這樣一回答,別人就會覺得,你這還知道的不少!其實我們心裡竊喜,我們也只是知道個皮毛而已。

好了,我們說正題!

相對論和量子力學都誕生於上世紀的20年代,到今天已經整整過去了一百多年,這兩套理論經歷了無數的風雨和磨練,現在依舊被當作指導現代科學發展的基礎理論。

尤其是相對論,一直以來人們對待它十分的謹慎,並不是不相信它是正確的,只是它做出了的很多預言都非常的驚人,讓人不由得就開始懷疑,這玩意說的到底準不准?

所以相對論從誕生到現在可以說是經歷了非常嚴苛的審查,以往的任何一個科學理論從來都沒有受過這樣的待遇。

我們不斷地在驗證相對論的預測,卻不斷地發現愛因斯坦都是對的。

前面的文章中我們說過的檢驗實驗有,引力探測器A和B,這個是在驗證地球在自轉時候對周圍空間的拖拽現象,以及測地線效應,也就是有地球質量引起空間彎曲。

還有銫原子鐘做飛機飛行的實驗,驗證了狹義相對論造成的時間膨脹,以及引力造成的時間膨脹。

星光彎曲實驗這個就不用說了,還有“龐德-雷布卡實驗”驗證了引力紅移和藍移,這跟引力時間膨脹是一回事。

觀測到引力透鏡效應,這個和星光彎曲是一回事。最重要的一次驗證,也被稱為是驗證廣義相對論最後的一塊拼圖,就是2016年2月宣布的引力波探測器LIGO檢測到了來自13億光年以外兩個黑洞合併產生的引力波。

引力波的發現可以說是一個圓滿的結局,廣義相對論的所有預測都成功接受了檢驗,愛因斯坦一路高歌猛進,從來就沒有錯過。

那麼什麼是引力波?

這是一個非常神奇的預測,引力波其實就是空間自身產生的漣漪,比如向水面扔一塊石頭,會在水面上激起漣漪,並且向四周擴散;

如果你把一塊物質突然扔到空間中,它會導致空間彎曲,這個彎曲變化的速度也會向四周擴散,水波傳播的介質是水,而引力波傳播時候的介質就是空間本身。

愛因斯坦在建立廣義相對論的時候,當時對標的就是電磁理論,也是基於場的概念在建立引力理論,電磁理論中有電磁場,在引力理論中就有引力場。

電磁場其實就是一種波,電磁波,電子在加速運動的時候就會釋放出電磁波。那麼愛因斯坦也認為物質在空間中加速運動的時候也會釋放出一種波,叫引力波。

這個可以理解為,在水面上有兩個小球,它倆互相旋轉的時候,就會產生波紋向外傳播。在空間中也一樣,兩個大質量的天體互相旋轉的時候,也會擾動空間,造成空間劇烈的振盪,就會產生引力波,向周圍擴散,同時帶走能量。

我們的地球在繞著太陽旋轉的時候,也是在太陽的引力場中做加速運動,所以也會釋放出引力波,並且帶走地球的軌道能量。

因此地球正在逐漸緩慢地靠近太陽,不過不用擔心,這個能量損耗非常緩慢,至少需要10^150年,才能讓地球撞向太陽。這個數字是多少已經不重要了,總之它很大,大得無法形容。

由於引力非常的弱,是四種基本作用力中最弱的一種力,只有電磁力的億億億分之一,所以引力波很難被探測到,像地球這種引力波,基本上就跟沒有一樣。

所以我們想檢測到引力波,只能找那些宇宙中質量非常大的天體,且這些天體正在發生毀滅性的時間;

比如有一類短時間、強度大、脈衝式的引力波,是由超新星爆發、兩顆黑洞合併末期發出的。

還有一類引力波雖然強度低了一點,但是非常的穩定,持續時間長,這類引力波是由大質量雙星互相環繞產生的,比如中子星和白矮星。

2016年探測到的引力波就是黑洞產生的,但是黑洞沒有光信號,我們也無法判斷引力波的一些性質,比如它的傳播速度之類的。

不過就在2017年10月LIGO又在距離地球只有1.3億光年的星系NGC4993中,接收到了來自兩顆中子星發生合併產生的引力波。

並且看到了這次事件產生的電磁信號,當時全球使用了大量的望遠鏡觀測這次事件爆發的天區,最後有4台X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到了爆發天區,其中就有我國的X射線天文衛星“慧眼望遠鏡”。

這次事件對引力波傳播速度的測量發現,引力波和光速基本上一致,穿越1.3億光年,光信號稍微慢了1.7秒。認為是中子星合併以後周圍的氣體阻礙或者遮擋,導致光信號稍微延遲。

引力傳播是通過空間,所以並不會發生受阻現象。所以認為它倆的速度是一致的。

引力波的發現,以及對其速度的測量,再一次驗證了廣義相對論的正確性和準確性。空間不僅會因為物質而彎曲,還會以漣漪的形式向外傳播能量。

不過,廣義相對論越是得到驗證,越是正確,對科學家說或許並不是一個好事,因為廣義相對論和量子場論是不相容的。

這意味著,它倆中間有一個是錯誤的,或者說是不完備。

下節課,我們說量子場論和廣義相對論那裡不相容。忘了說,如何測量引力波?這個原理其實和邁克爾遜-莫雷實驗一樣,也是乾涉儀,只不過LIGO的懸臂4千米長。

引力波來了以後,會造成兩條垂直懸臂分別發生收縮和拉長,這樣就導致了光路距離發生變化,進而造成兩路光在返回以後乾涉出現變化。

由於引力波非常弱,對乾涉儀懸臂造成的長度變化極其微小,因此我們要想探測到更多,更弱的引力波事件,只能建造更大的引力波探測器,更大就意味著有更長的懸臂。

比如LISA引力波探測器,由三個繞太陽運行的衛星組成,這個夠大吧。希望人類有一天能夠發現宇宙暴漲時期留下的引力波信號,這個引力波信號應該是處處均勻的十分微小的波動,充滿整個空間,它應該能告訴我們,上帝的一些信息。