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苹果官网香港-为什么引力波会以光速传达?

  • ​时空中的波纹便是引力波,它们以光速在空间中向各个方向传达。尽管爱因斯坦的广义相对论方程式中从未呈现过电磁学常数,但引力波无疑是以光速运动的。

描绘整个世界需求两类根本理论。一方面,有量子场论,它描绘了电磁力和核力,并解说了世界中一切的粒子以及操控它们的量子彼此效果。另一方面,广义相对论,它解说了物质/能量和空间/时刻之间的联系,并描绘了咱们所阅历的引力。在广义相对论的布景下,呈现了一种新的辐射类型:引力波。可是,尽管这些引力波与光无关,但它们有必要以光速传达。这是为什么呢?

咱们知道电磁辐射的速度能够由真空中的麦克斯韦方程推导出来。什么方程(或许与麦克斯韦方程相似?)供给了重力波有必要以光速传达的数学证明?这是个很艰深的问题。让咱们深化了解细节。

  • ​能够写出各式各样的方程,比方麦克斯韦方程,来描绘世界的某个方面。咱们能够用多种办法把它们写下来,因为它们有微分办法(左)和积分办法(右)。只需将他们的猜测与物理调查进行比较,咱们才干得出关于其有用性的任何定论。

乍一看,麦克斯韦方程组并纷歧定能猜测光速辐射的存在。这些方程清楚地告知咱们有关的行为:

  1. 停止的电荷,
  2. 运动中的电荷(电流),
  3. 静电(不变的)电场和磁场,
  4. 以及这些电场和电荷怎样彼此移动、加快和改动。苹果官网香港-为什么引力波会以光速传达?

现在,仅仅使用电磁学规律,咱们就能够树立一个物理上相关的体系:一个低质量的带负电荷的粒子绕着一个带正电荷的高质量粒子旋转。这是卢瑟福原子的开端模型,伴随着一场巨大的生计危机。当负电荷穿过空间时,它会阅历一个不断改动的电场,并因而而加快。可是当带电粒子加快时,它有必要将能量辐射出去,而仅有的办法便是经过电磁辐射。

  • ​在原子的卢瑟福模型中,电子绕带正电荷的原子核运动,但会宣布电磁辐射,并看到轨迹衰变。这需求量子力学的开展,以及玻尔模型的改善,才干了解这个显着的悖论。

在经典电动力学的结构内,这有两个效应是能够核算的。榜首个效应是负电荷会螺旋进入原子核,就好像你在放射能量,你有必要从某个当地得到能量,仅有能得到能量的当地便是运动中的粒子的动能。假如你失去了动能,你不可避免地会向中心旋转,招引物体。

你能核算出的第二个效应是发射辐射发作了什么。麦克斯韦方程组中有两个天然常数:

  1. 0,自由空间的介电常数,这是根本常数描绘两个电荷之间的电力在真空中。
  2. 0,自由空间的渗透性,能够以为是常数,它界说了两个平行出产的磁力进行电线在真空恒流贯穿而过。

当你核算电磁辐射发作的特点,它体现得像一个波的传达速度等于(00)1/2,这刚好等于光速。

  • ​相对论性电子和正电子能够加快到十分高的速度,但会以满足高的能量发射同步辐射(蓝色),阻挠它们运动得更快。这种同步加快器辐射是卢瑟福多年前猜测的辐射的相对论类比,假如你用引力场和电荷来替代电磁场和电荷,它就有一个引力类比。

在电磁学中,即便细节很简略算出来,全体效果也很直观。阅历外部电磁场改动的移动电荷会宣布辐射,这种辐射既能带走能量,又能以特定的传达速度移动:光速。这是一个经典的效应,能够在彻底不触及量子物理的状况下推导出来。

现在,广义相对论也是一个经典的引力理论,彻底没有触及量子效应。现实上,咱们能够幻想一个十分相似于咱们在电磁学中树立的体系:一个运动中的质量,绕着另一个质苹果官网香港-为什么引力波会以光速传达?量旋转。运动的物体会阅历一个不断改动的外部引力场。它将阅历空间曲率的改动,这导致它发射辐射,带走能量。这便是引力波的概念来源。

  • ​关于电磁学中的辐射反响,或许没有比引力理论中环绕太阳运转的行星更好的类比了。太阳是最大的质量源,因而使空间曲折。当一颗巨大的行星穿过这个空间时,它会加快,这就意味着它有必要开释某种辐射来保存能量:引力波。

但为什么——作为一个将倾向于问——这些引力波以光速旅行吗?为什么重力的速度,你能够幻想它能够取任何值,有必要与光速彻底持平?或许最重要的是,但咱们怎样知道?

幻想一下,假如忽然使出终极世界魔法,让太阳消失,会发作什么。假如这样你就不会看到天空变暗8分20秒,这是光从太阳到地球大约1.5亿公里所需求的时刻。但万有引力纷歧定是相同的。正如牛顿的理论所猜测的那样,引力有或许是一种瞬时现象,世界中一切有质量的物体都能一起感受到,跨过众多的世界间隔。

  • ​一个关于行星怎样环绕太阳运转的准确模型,然后太阳以不同的运动方向穿过星系。假如太阳彻底消失,牛顿的理论猜测它们将当即以直线飞翔,而爱因斯坦的理论猜测内行星的轨迹运转时刻将比外行星短。

在这种假定状况下会发作什么?假如太阳在某一特定时刻以某种办法消失,地球会当即以直线飞翔吗?或许地球会持续在椭圆轨迹上运动8分20秒,直到以光速传达的不断改动的引力信号抵达地球时才违背轨迹?

假如你问广义相对论,答案更挨近后者,因为不是质量决议引力,而是空间的曲率,它是由空间中一切物质和能量之和决议的。假如你把太阳拿走,空间就会从曲折变成平整,但仅仅在太阳物理方位上。这种改动的影响会向外辐射,发作十分大的涟漪。引力波——像三维池塘里的涟漪相同在世界中传达。

  • ​无论是经过介质仍是在真空中,每一个传达的波纹都有一个传达速度。在任何状况下,传达速度都不是无限的,理论上,重力波传达苹果官网香港-为什么引力波会以光速传达?的速度应该与世界中的最大速度相同:光速。

在相对论的布景下,无论是狭义相对论(在平整空间中)仍是广义相对论(在任何广义空间中),任何运动的速度都是由相同的东西决议的:它的能量、动量和停止质量。引力波,像任何办法的辐射相同,有零停止质量,但有有限的能量和动量,这意味着它们没有挑选:它们有必要一直以光速运动。

这有一些风趣的成果。

  1. 任何惯性(非加快)参考系中的调查者都会看到引力波以光速运动。
  2. 不同的调查者会看到引力波的红移和蓝移,这是因为一切的影响——比方源/调查者的运动,引力波的红移/蓝移,以及世界的胀大——电磁波也会阅历这些影响。
  3. 因而,地球的引力不是被现在的太阳所招引,而是被8分20秒之前的太阳所招引。

空间和时刻与光速有关这一简略的现实意味着一切这些表述都有必要是正确的。

  • ​当一个质量绕另一个质量运转时,就会宣布引力辐射,这意味着在满足长的时刻尺度内,轨迹会衰减。在榜首个黑洞蒸腾之前,假定之前没有其他物质喷射过地球,地球就会螺旋上升进入太阳的任何剩下部分。地球被招引到大约魔蝎座8分钟前太阳地点的方位,而不是今日的方位。

最终这句话,关于地球在8分20秒之前被太阳招引的说法,是牛顿的引力理论和爱因斯坦的广义相对论之间真实革命性的差异。它之所以具有革命性,是因为一个简略的现实:假如引力仅仅以光速将行星招引到太阳之前的方位,那么行星的猜测方位将与它们实践观测到的方位严峻不匹配。

牛顿规律要求瞬间的重力速度抵达如此准确的程度,假如这是仅有的束缚条件,那么重力的速度必定比光速快200亿倍,认识到这一点真是太妙了!但在广义相对论中,还有另一个效应:绕太阳运转的苹果官网香港-为什么引力波会以光速传达?行星在运动。当一颗行星运动时,你能够把它幻想成一个引力脉动,从它上升到下降的不同方位。

  • ​当一个物体穿过一个曲折的空间时,因为它所在的曲折空间,它会阅历一个加快度。当它穿过空间曲率不断改动的区域时,它的速度也会发作额定的影响。这两种效应结合起来,与牛顿引力的猜测成果略有不同。

在广义相对论中,与牛顿引力相反,有两个重要的差异。当然,任何两个物体都会对另一个物体施加引力,经过曲折空间或施加一个长程力。可是在广义相对论中,这两个额定的部分在起效果:每个物体的速度影响它怎样体会重力,在引力场中发作的改动也是如此。

有限的重力速度会引起引力场的改动,这与牛顿的猜测天壤之别,与速度相关的彼此效果的影响也是如此。令人惊奇的是,这两个效应简直彻底抵消。正是这种抵消的细小不准确性,让咱们得以初次测验牛顿的“无限速度”或爱因斯坦的“重力速度等于光速”模型是否契合咱们世界的物理学。

为了测验重力的速度是多少,经过观测,咱们需求一个空间曲率很大,引力场很强,加快度很大的体系。抱负状况下,咱们会挑选一个大的、质量大的物体在一个不断改动的引力场中以一个不断改动的速度运动的体系。换句话说,咱们想要一个体系,在一个很小的空间区域里,有一对严密的轨迹运转的,可观测的,高质量的物体。

天然与此相配合,因为双星中子星和双星黑洞体系都存在。现实上,任何有中子星的体系都有才干被十分准确地丈量,假如发作了一件意外的工作:假如咱们的视角与中子星极点宣布的辐射彻底一致。假如这种辐射的途径与咱们相交,咱们能够在中子星每次旋转时调查到一个脉冲。

  • ​双星脉冲星的轨迹衰减率与重力和双星体系的轨迹参数高度相关。咱们使用双星脉冲星的数据将重力的速度约束在光速的99.8%以内,并在LIGO和Virgo勘探到引力波之前的几十年就推断出引力波的存在。可是,直接勘探引力波是科学进程的一个重要部分,假如没有它,引力波的存在仍然是有疑问的。

作为中子星的轨迹,脉冲星携带着很多关于这两种成分的质量和轨迹周期的信息。假如你在一个双星体系中调查这个脉冲星很长一段时刻,因为它是一个十分规矩的脉冲发射器,你应该能够勘探到轨迹是否在衰变。假如是,你乃至能够提取出辐射的丈量值:它传达的速度有多快?

爱因斯坦的引力理论的猜测对光速十分灵敏,以至于乃至从榜首脉冲双星体系在1980年代发现,咱们有束缚重力的速度等于光速的丈量误差只需0.2% !

  • ​类星体QSO J0842+1835,其途径在2002年被木星引力改动,直接证明了重力的速度等于光速。

当然,这是一个直接的丈量。咱们在2002年进行了第二类直接丈量,一次偶尔的偶然使地球、木星和一个十分强的射电类星体(QSO J0842+1835)沿着同一条视野摆放。当木星在地球和类星体之间移动时,木星的引力曲折答应咱们直接地丈量重力的速度。

成果是确认的:他们肯定排除了引力效应传达的无限速度。仅经过这些观测,科学家们就确认了重力的速度在2.55108 m/s和3.81108 m/s之间,彻底契合爱因斯坦299,792,458 m/s的猜测。

  • ​两颗兼并中子星的艺术家插图。波浪形的时空网格表明磕碰发作的引力波,而窄光束则是在引力波(天文学家勘探到的伽马射线迸发)几秒钟后射出的伽马射线束。引力波和辐射有必要以相同的速度传达,准确到15位有用数字。

可是,引力的速度等于光速的最有力依据来自2017年对一颗千诺娃星的观测:两颗中子星的吸气和兼并。一个壮丽的多信使天文学的比如,引力波信号首要抵达,记录在LIGO和室女座勘探器。然后,1.7秒后,榜首个电磁(光)信号抵达了:来自爆破灾祸的高能伽马射线。

因为这个事情发作在1.3亿光年之外,重力和光的信号抵达时的时刻差小于2秒,苹果官网香港-为什么引力波会以光速传达?所以咱们能够约束重力与光速之间或许的违背。咱们现在知道,依据这个,它们的差值小于10^15分之1,或许说小于光速的1 千万亿分之一。

  • ​长期以来被以为是由中子星兼并而来的快速伽马暴。它们周围富含气体的环境能够推迟信号的抵达,这解说了观测到的重力信号和电磁信号抵达之间的1.7秒差异。

当然,咱们以为这两个速度是彻底相同的。只需引力波和光子都没有停止质量,重力的速度就应该等于光速。这1.7秒的推迟很或许是因为引力波在不受扰动的状况下穿过物质,而光在电磁效果下发作彼此效果,当它穿过空间介质时,极有或许使它的速度减慢一点点。

重力的速度的确等于光速,尽管咱们不是用相同的办法推导出来的。麦克斯韦把电和磁这两种曾经独立而又天壤之别的现象结合在一起,而爱因斯坦仅仅把狭义相对论的理论扩展到一般的一切世界时刻。尽管引力速度等于光速的理论动机从一开端就存在,但只需经过调查证明,咱们才干确认。引力波的确是以光速传达的。

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