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茍利軍:引力和時(shí)空的認(rèn)識(shí)歷史(4)

摘要:引力最早是牛頓在17世紀(jì)提出的。牛頓當(dāng)時(shí)認(rèn)為,是質(zhì)量導(dǎo)致了引力,并在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中說到:“絕對(duì)空間,就其本性來說,與任何外在的情況無關(guān)。始終保持著相似和不變?!?然而,眾多的觀測事實(shí)表明,牛頓的時(shí)空觀是不對(duì)而且不存在的。1915年,愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論,對(duì)于引力有了全新的認(rèn)識(shí),認(rèn)為是時(shí)空的彎曲導(dǎo)致了引力。讓我們與茍利軍一起去了解引力和時(shí)空的認(rèn)識(shí)歷史。

什么是引力波:時(shí)空的漣漪

怎么簡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)簡單的歸納,他說:“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)看似抽象而且簡單的描述,我們現(xiàn)在稱之為愛因斯坦方程(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)方程非常簡單,但是往往簡單的東西是非常抽象的,所以求解也非常困難。

1916年,愛因斯坦做了一個(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?剛才說到,引力場等效于彎曲的空間,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。如果說黑洞所造成的空間彎曲很大的話,那太陽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)空的振蕩是非常類似的。所以,我們通常把時(shí)空當(dāng)中的波動(dòng)也稱之為時(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引力波的變化呢?如果在半波長之內(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

圖片5

在這里(圖片5),中間畫了一個(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。

責(zé)任編輯:葉其英校對(duì):李天翼最后修改:
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