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曹軍威:時(shí)空的漣漪——引力波(2)

摘要:100年前,愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí),唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。那么,什么是引力波?如果說(shuō)電磁波是物質(zhì)世界里的波動(dòng),那引力波就是時(shí)空?qǐng)隼锏牟▌?dòng)?!耙Σㄊ且环N時(shí)空漣漪,如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過(guò)程中有可能產(chǎn)生引力波。”

下面介紹一下引力波源。這個(gè)信號(hào)是從哪來(lái)的?我們講是因?yàn)殡p黑洞并合,但我們知道,光都不能逃逸出黑洞,我們用一般的望遠(yuǎn)鏡是看不到黑洞的。我們觀測(cè)到了引力波,通過(guò)引力波觀測(cè)到了黑洞。人類第一次除了用一般的電磁波望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)宇宙以外,又裝了一雙聆聽(tīng)宇宙的耳朵。引力波的探測(cè)跟我們以前的望遠(yuǎn)鏡原理是完全不一樣的。

如果把引力波跟電磁波、聲波、水波去類比的話,我們就把引力波的信號(hào)輸入到聲頻里面去,大家可以聽(tīng)到引力波,尤其最后一聲。它的頻率從25赫茲急速上升為250赫茲,在不到一秒的時(shí)間里面,在剛才頻率的這張圖里也是非常突出的。

黑洞是一個(gè)質(zhì)量非常大的致密星體,致密星體除了有黑洞以外,可能還有其他的形式。比如中子星,還有白矮星,但是質(zhì)量大到一定程度,就是黑洞的形態(tài)。雙黑洞并合釋放引力波,除了這個(gè)雙黑洞存在之外,還有一個(gè)所謂場(chǎng)的存在,這個(gè)場(chǎng)我們之前叫做引力場(chǎng),所以引力場(chǎng)中的波動(dòng)我們又叫做引力波。下面我講一下最基本的概念,就是引力到引力場(chǎng),到引力波的過(guò)程。

愛(ài)因斯坦1915年的廣義相對(duì)論,把這個(gè)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹,我們首先要了解到空間、時(shí)間和物質(zhì)是互聯(lián)的。這個(gè)觀點(diǎn)是廣義相對(duì)論所提出來(lái)的。它意味著什么呢?雙黑洞并合有物質(zhì),物質(zhì)之間有引力,引力之所以存在是因?yàn)橛幸?chǎng),而引力波是引力場(chǎng)里面的一個(gè)波動(dòng)。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論就提出來(lái)引力場(chǎng)到底是怎么回事?為什么會(huì)有引力?為什么引力還能夠傳遞?這個(gè)引力場(chǎng)是怎么回事?愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論第一次把引力場(chǎng)跟我們所謂的時(shí)間和空間聯(lián)系在了一起,時(shí)間和空間組成了一個(gè)四維的時(shí)空,它是客觀存在的。所以后面我想就不用引力場(chǎng)這個(gè)概念,而是用時(shí)空?qǐng)鲞@個(gè)概念。

剛才我講的,引力波發(fā)出的過(guò)程就是物質(zhì)和時(shí)空進(jìn)行能量交換的過(guò)程。物質(zhì)是能發(fā)出能量的,質(zhì)量跟能量之間是可以等價(jià)的,時(shí)空跟能量之間也是相互關(guān)聯(lián)的。時(shí)空客觀存在在我們周圍,而且時(shí)空里是可以傳遞能量的。

圖片3

給大家一個(gè)非常具體的展示,地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)這件事是一個(gè)典型的物質(zhì)之間的相互作用。但是我們想到這件事的時(shí)候,我們還要加上周圍綠色的曲線,這也是一個(gè)時(shí)空的示意,就是說(shuō)除了物質(zhì)的存在以外,我們周圍還有一個(gè)時(shí)空的存在。但是牛頓的萬(wàn)有引力不是這么解釋的。他是講太陽(yáng)和地球之間有一個(gè)萬(wàn)有引力,它是跟質(zhì)量成正比,跟距離成反比。那這樣的萬(wàn)有引力,是如何進(jìn)行傳遞的?假如說(shuō)有一天太陽(yáng)突然消失了,那地球可能就會(huì)沿切線方向飛出去,對(duì)吧?

這就有一個(gè)問(wèn)題,就是說(shuō)太陽(yáng)消失這件事,地球怎么會(huì)知道呢?這個(gè)引力的變化是怎么傳播過(guò)去的呢?牛頓就認(rèn)為這個(gè)變化是一個(gè)超距作用,就是沒(méi)有什么原因,就是傳播給了地球,地球的運(yùn)動(dòng)軌跡就會(huì)發(fā)生變化。但是這件事跟愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論是矛盾的。愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論認(rèn)為,沒(méi)有任何速度可以超過(guò)光速,如果光速不變的話,那時(shí)空必須是相對(duì)的。愛(ài)因斯坦就認(rèn)為這不太可能,應(yīng)該是有一個(gè)媒介在這里面,把引力變化的這件事傳遞給了地球,所以廣義相對(duì)論把時(shí)空跟這個(gè)媒介的場(chǎng)聯(lián)系在了一起。

最終愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論可以歸納為這樣兩句話,物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空彎曲,由于有了太陽(yáng)這個(gè)巨大質(zhì)量的物質(zhì)存在,把本來(lái)平直的時(shí)空給彎曲了。由于太陽(yáng)質(zhì)量非常大,它周圍的時(shí)空彎曲程度很大,所以地球的運(yùn)動(dòng)軌跡就受到了彎曲時(shí)空的影響,所以它才會(huì)圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)。

1905年愛(ài)因斯坦講狹義相對(duì)論的時(shí)候還跟引力沒(méi)有任何關(guān)系,只是把時(shí)空的相對(duì)性和光速的絕對(duì)性講清楚了。但是到了1915年愛(ài)因斯坦第一次把時(shí)空跟引力場(chǎng)結(jié)合在一起。所以說(shuō)從貢獻(xiàn)來(lái)講,在1905年,全世界可能不止愛(ài)因斯坦一個(gè)人接近這樣的一個(gè)理論。但是真正到了廣義相對(duì)論,當(dāng)時(shí)除了愛(ài)因斯坦沒(méi)有任何科學(xué)家接近這樣的理論。所以1915年的廣義相對(duì)論的提出是一個(gè)非常巨大的飛躍。我希望通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的講述,給大家介紹一個(gè)基本的概念。

責(zé)任編輯:李天翼校對(duì):葉其英最后修改:
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