什么是引力波：時(shí)空的漣漪

怎么簡(jiǎn)單地理解物體和物體對(duì)于時(shí)空的影響呢？普林斯頓大學(xué)的John·Wheeler教授曾經(jīng)有一句，對(duì)物體在彎曲時(shí)空當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的歸納，他說(shuō)：“質(zhì)量保導(dǎo)致時(shí)空的彎曲，而彎曲的時(shí)空又決定了物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。”

愛(ài)因斯坦對(duì)彎曲的時(shí)空，從數(shù)學(xué)角度做了一個(gè)看似抽象而且簡(jiǎn)單的描述，我們現(xiàn)在稱(chēng)之為愛(ài)因斯坦方程（Gμν=8πTμν）。左邊的Gμν就代表了時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，他就描述了彎曲時(shí)空到底是什么樣子的，多大的質(zhì)量導(dǎo)致彎曲的時(shí)空是什么樣子的；右邊是代表了彎曲時(shí)空當(dāng)中能量和動(dòng)量的分布。盡管看到的這個(gè)方程非常簡(jiǎn)單，但是往往簡(jiǎn)單的東西是非常抽象的，所以求解也非常困難。

1916年，愛(ài)因斯坦做了一個(gè)假設(shè)，他假設(shè)在弱引力情況之下，他的方程（愛(ài)因斯坦方程）就描述了引力波在時(shí)空幾何當(dāng)中是按照光速傳播的。什么叫做弱引力呢？剛才說(shuō)到，引力場(chǎng)等效于彎曲的空間，如果空間彎曲越大，那對(duì)應(yīng)的引力也就很大。那弱引力代表什么呢？彎曲的空間比較小。如果說(shuō)黑洞所造成的空間彎曲很大的話，那太陽(yáng)造成的空間彎曲就相對(duì)較小了，地球應(yīng)該就更小了。

假設(shè)宇宙當(dāng)中空間的彎曲只是太陽(yáng)或者一些不那么致密的天體所造成的，在這種情況下，它的引力波就應(yīng)該是以光的速度在傳播的。另外，引力波是什么樣的振動(dòng)呢？它的振動(dòng)其實(shí)是指時(shí)空本身的振動(dòng)。在日常生活當(dāng)中，比如向水塘里扔一個(gè)石子，會(huì)看到水面上的水波，這和一個(gè)東西扔到這個(gè)宇宙當(dāng)中，它會(huì)造成時(shí)空的振蕩是非常類(lèi)似的。所以，我們通常把時(shí)空當(dāng)中的波動(dòng)也稱(chēng)之為時(shí)空的漣漪。引力波代表了時(shí)空本身的振動(dòng)，而非時(shí)空當(dāng)中的振動(dòng)。

引力波的效應(yīng)其實(shí)是非常小的，所以我們?cè)趺慈y(cè)引力波的變化呢？如果在半波長(zhǎng)之內(nèi)，相距越遠(yuǎn)的物體，那它引起的引力波的距離變化越大。如果我們能夠測(cè)到引力波在距離上的變化，我們就可以探知引力波的存在?，F(xiàn)在我們知道引力波是一個(gè)橫波，那什么是橫波呢？橫波就是它的運(yùn)動(dòng)方向跟振動(dòng)方向是相互垂直的。

圖片5

在這里（圖片5），中間畫(huà)了一個(gè)箭頭，這代表了引力波的傳播方向，如果兩個(gè)綠色的物體通常在沒(méi)有作用的時(shí)候，一直是保持恒定的，那么在引力波向下傳播過(guò)程當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)物體之間的距離發(fā)生變化。那到底會(huì)發(fā)生什么樣的變化、多大的變化呢？一方面是與引力波的強(qiáng)度有關(guān)系，另外一方面是與探測(cè)物體之間的距離有關(guān)系。那引起的距離的變化大約是多少呢？就是在這里（圖片5）所看到的，強(qiáng)度如果用h來(lái)表示的話，就是乘它們之間的距離，h乘以L，最終ΔL ～Lh就代表了距離之間的變化。