什么是引力波：時空的漣漪

怎么簡單地理解物體和物體對于時空的影響呢？普林斯頓大學的John·Wheeler教授曾經(jīng)有一句，對物體在彎曲時空當中的運動做了一個簡單的歸納，他說：“質量保導致時空的彎曲，而彎曲的時空又決定了物質的運動。”

愛因斯坦對彎曲的時空，從數(shù)學角度做了一個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就代表了時空的幾何結構，他就描述了彎曲時空到底是什么樣子的，多大的質量導致彎曲的時空是什么樣子的；右邊是代表了彎曲時空當中能量和動量的分布。盡管看到的這個方程非常簡單，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，愛因斯坦做了一個假設，他假設在弱引力情況之下，他的方程（愛因斯坦方程）就描述了引力波在時空幾何當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，那對應的引力也就很大。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較小了，地球應該就更小了。

假設宇宙當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，它的引力波就應該是以光的速度在傳播的。另外，引力波是什么樣的振動呢？它的振動其實是指時空本身的振動。在日常生活當中，比如向水塘里扔一個石子，會看到水面上的水波，這和一個東西扔到這個宇宙當中，它會造成時空的振蕩是非常類似的。所以，我們通常把時空當中的波動也稱之為時空的漣漪。引力波代表了時空本身的振動，而非時空當中的振動。

引力波的效應其實是非常小的，所以我們怎么去測引力波的變化呢？如果在半波長之內，相距越遠的物體，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橫波，那什么是橫波呢？橫波就是它的運動方向跟振動方向是相互垂直的。

圖片5

在這里（圖片5），中間畫了一個箭頭，這代表了引力波的傳播方向，如果兩個綠色的物體通常在沒有作用的時候，一直是保持恒定的，那么在引力波向下傳播過程當，就會導致這兩個物體之間的距離發(fā)生變化。那到底會發(fā)生什么樣的變化、多大的變化呢？一方面是與引力波的強度有關系，另外一方面是與探測物體之間的距離有關系。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。