引力波的传播速度是光速,而不是超光速。认为引力波可以超光速,可能是把引力波与宇宙膨胀两个概念混淆了。引力波被誉为“时空的涟漪”,是一种时空震动,即时空的运动。宇宙膨胀同样是一种时空的运动。既然宇宙膨胀可以超光速,为什么引力波不能是超光速的呢?因为概念不同,成因不同。
什么是引力波?
引力波是广义相对论的一个预言,而广义相对论不可能预言一个超光速的物理现象。这样的回答可能让你并不满意, 但它确实是事实。
为了便于理解,大多数科普人解释的科学理论往往都仅限于定性描述,但能在国际上受到认可的一些理论预言,实际都是有定量物理公式支撑的。而这些物理公式的计算结果决定了一些理论预言的物理性质。引力波就是如此,它虽然脱胎于相对论场方程,但推导思路来源于电磁波理论。
1916年在普鲁士科学院会议上,爱因斯坦就提出了引力波的概念,但当时论述不够明晰且存在计算错误,直到1918年《论引力波》的论文发表,才重新界定了引力波的性质。
关于什么是引力波?完全可以用熟悉的电磁波来类比。电磁波是电磁场在空间中的传播,而引力波则是引力场的传播。
引力波与电磁波的异同
电磁波是由电荷的加速运动导致的,电荷无论是直线加速度,还是向心加速度,都会产生电磁波。同理,有质量的物体加速运动则会产生引力波。
在相对论中,引力场等同于时空弯曲。作为引力源的物质如果有加速运动,将使周围的引力场发生变化,即时空弯曲发生变化,这种变化无法瞬间就能在整个时空中发生,而是以光速从变化中心向四面八方传播,这就是引力波。
为什么是光速?是在公式推导中决定的,不方便展开。当然你可以说你说的引力波,并不是爱因斯坦定义的引力波,那就无法讨论了,毕竟只有在同一定义下,才有讨论的必要。
引力波与电磁波的概念很像。电磁波由交变的电场和磁场组合而成,而引力波由交变的空间与时间曲率组合而成。你可以把空间和时间的曲率起伏变换理解为一种相互影响的场。
引力波与电磁波都是横波,即波的振动方向垂直于传播方向。电磁波是矢量波,即电场和磁场方向是固定的,不随波的传播而变化;引力波是张量波,即时间与空间的起伏是随着波的传播而不停变化的,就像一个螺旋旋转的电钻头。
总之,引力波是爱因斯坦将电磁波的概念,拓展到了引力场,解决了牛顿遗留下来的引力传播问题。引力靠引力波传播而不是瞬时的超距作用。它的“电钻头”属性也让它具有极强的穿透力。当然这些都不是问题的重点,重点是引力波是由有质量的物体加速运动产生的。
从理论上讲,我们每个人都可以产生引力波,只是微乎其微。就连太阳系行星之王的木星绕日公转产生的引力波功率也仅有约5 kW,根本不可能探测到。所以我们现在所说的引力波,大都仅指像超新星爆发、双脉冲星运动、双中子星合并以及黑洞合并等剧烈天体活动时产生的时空涟漪效果。
宇宙膨胀
20世纪20年代,一个叫哈勃的人观测到,我们四周的星系正在远离我们。而且他还总结出了一条非常简短的定律:星系距离我们越远,其远离我们的速度就越快。以地球为坐标,星系的距离每增加100万光年,则它远离的速度就增快了每秒21千米,这个规律以哈勃常数来表示,不过这个常数随着我们的观测手段的进步一直在变化。
这一现象结合相对论直接导向了一个意想不到的结果,不是星系在倒行,而是我们的宇宙正在膨胀。试想我们的宇宙就是烤箱里的一个烤面包,而我们的银河系只是面团里的一颗葡萄干。所有的葡萄干儿在面包膨胀的过程中渐行渐远。
而导致宇宙膨胀的原因,一般认为暗能量。当然至今关于暗能量的解释依然充满着争执,并无定论,但它至少不是我们认知的普通物质。
总结
宇宙膨胀与引力波,两者虽然都是时空的运动,但产生的原因不同,结果也就不同。引力波的本质是用来描述引力如何传播,这种传播在相对论体系下无法超过光速。
而且美国引力波激光干涉天文台LIGO的观测结果也证实了这一点。如果引力波真是光速的10000倍,那根本检测不到。
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这种说法的来源是牛顿,牛顿认为引力的作用是无视距离的,只要有质量存在,不论什么时间,不论是什么
地方,都会对其他物质产生影响,这种影响实质上就是引力波,不过那个时候还没有这个概念。
后来爱因斯坦为了弄清楚什么是引力的影响,就在广义相对论里预言了引力波的存在
想知道的答案,你就要先知道引力波是什么,有什么样的性质,这样才能和光做出比较。
1.什么是引力波
物理学里面,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,用引力辐射的形式传播能量。
最早的引力波来自于爱因斯坦广义相对论的预言,引力波的存在是洛伦兹不变性的结果。这么解释还是有点太学术了,我们只需要知道,引力波的存在是因为质量的存在而导致的时空弯曲就可以了。简而言之,引力波就是可以对时空产生扰动的一种现象,而不是真正的一种波。
2.引力波的速度
根据爱因斯坦的理论,光速就已经是速度的极限了,其他任何的有质量的物体的速度都不可能超过光速,否则,现代物理的基石就会崩塌。
上面我们已经讲到,引力波是一种产生时空扰动的现象,不能把引力波当做一种物质,或者一种波。那么,如何定义引力波的速度呢?
我们可以确定被引力波影响的对象,也就是时空。根据爱因斯坦的理论,超大质量的物体通过引力扰动时空,时空波动传递的速度也就是引力波的速度,也就是光速。
简而言之,如果你相信爱因斯坦的相对,那么引力波的速度是光速的10000倍就是无稽之谈了。
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