引力波是时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在一个双星系统里,当两个星相互围绕着、旋转着靠近的时候,会产生巨大的加速度。加速度在效果上等同于质量的变化,这就会造成时空曲率的剧烈变化,产生引力波。
在爱因斯坦的广义相对论看来,引力是物体压弯空间产生的几何效应,并且引力也不是超距作用,引力在空间中的传播速度为光速。而且广义相对论预言,物体在空间中加速运动时,空间的曲率会不断发生变化,从而辐射出时空涟漪,即引力波,其传播速度也正好为光速。
1、为什么引力的传播速度会等于光束呢,其来自广义相对论的推论;
由于光的波粒二象性,根据闵可夫斯基4维时空中的洛伦茨不变表达式,电磁波和引力波的波动方程是类似的。如果只研究两种波在自由真空中的传播性质,不考虑波源的辐射性质的话,两个方程的形式完全一样(由于方程推导太复杂,这里不详细解释):
2、2017年引力波被发现
引力传播的速度不像是光速那样,可以通过随处可见的可见光去测量,由于引力看不见也摸不着,并且十分微弱,所测量起来十分困难。直到最近几年我们才通过双黑洞、中子星的合并才发现了引力波的存在。
其中2017观测到的引力波事件,远远在银河系之外,是银河系大小的16000倍。是由一个36太阳质量和一个29太阳质量的黑洞合并发出的。合并后的黑洞质量62太阳质量,说明有3个太阳质量的能量以引力波的形式放出(误差0.5太阳质量)。探测的可信度是5.1个sigma,按照物理学界惯例,可以被称作发现。
整个引力波观测过程0.4秒,其中双黑洞合并的一瞬间只有0.05秒。双黑洞合并几乎在一瞬间就将3太阳质量等效的能量以引力波形式发射出去,功率顶峰高达200太阳质量/秒。什么意思呢,这是全宇宙恒星功率和的50倍。所以虽然我们看不见,甚至很难感觉到,但是引力波确实是宇宙中强大的能量事件。经过多年以来物理学家们大量的观察,从而确认了引力波的存在。
3、引力波传播速度的确定
2017年,天文学家第一次探测到了双中子星合并产生的引力波(GW170817)。在此次事件中,两颗中子星以三分之一的光速高速碰撞在一起,这种实体碰撞不但会辐射出强大的引力波,而且还产生了一系列的电磁波——从无线电波到可见光一直到伽马射线,这成了研究引力波的千载难逢机会。
虽然电磁波比引力波晚了1.7秒到达地球,但这并不意味着引力波的速度比光速快一些,而是因为电磁波的产生时间稍慢一些,或者中子星碰撞后产生的碎片减慢了电磁波的传播速度。结果表明,引力波与电磁波的传播速度是一样的,都是光速。
因此我们现在知道了,我们看到的太阳是8分前的太阳,我们感受到的太阳引力也是8分钟前太阳所处位置的引力。当太阳消失以后,我们不会立刻失去光明,地球也不会立刻不受控制地从自己运行轨道的切线方向飞出去,而是会持续地感受到8分钟的太阳引力。
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