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引力是力,为什么可以产生波?

只要能先忘掉引力是一种力,宁可想成“冲击波”都行,让我用动图重新给你灌输一遍为什么东西会落地。

如果把引力认为是牛顿说的力,就很难理解波了。只要能先忘掉引力是一种力,宁可想成“冲击波”都行,让我重新给你灌输一遍为什么东西会落地。

爱因斯坦在他的《广义相对论》论中提出的更精确的引力描述,引力波的概念就是从他那来的,但他说的还是会很抽象,所以多上点动图。

引力是力,为什么可以产生波?

图:爱因斯说:引力不是力只是穿越时空的涟漪

时空扭曲

《广义相对论》把引力描述为空间和时间的弯曲。所有物体都会扭曲时空。

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当其他物体穿过这个扭曲的时空时,它们会沿着弯曲的时空路径运动。这些弯曲的路径看起来像是施加在物体上的力,从而产生的结果,但实际上它们是时空本身被扭曲的结果。

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例如,当你把一个球扔给你的朋友,在重力的影响下,它会沿着一个平滑的抛物线轨迹运动。牛顿定律认为,是地球的质量产生的引力作用在了棒球上,逐渐将棒球从直线运动中拉了下来。

然而,更准确的描述是这样的:地球扭曲了空间和时间。棒球实际上是在一条相对于时空的直线上运动,但由于时空本身是弯曲的,所以这条直线在外人看来就变成了一条曲线。这样,就不会有任何直接的力作用在棒球上。

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棒球原本运动的轨迹就应该是这样的,只是因为时空扭曲。虽然这一切听起来很奇怪,让人难以置信,但是爱因斯坦的《广义相对论》论一百多年来一直是主流科学,并且被无数的实验验证过的。

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图:爱丁顿发现星系光线偏转证明了《广义相对论》

原则上,所有物体都会扭曲时空。然而,像房子和树这样的小质量物体却能将扭曲的时空到程度非常小,以至于我们察觉不到它们的影响。大质量的物体,如行星、卫星或恒星,才能使引力效应变得明显。

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图:除了光子,构成物质的其他粒子也会产生引力波,虽然极其微小

一个物体的质量越大,它扭曲时空的程度就越大,它对其他物体的引力效应也就越强。例如,黑洞的质量非常大,体积却非常小,连光都无法逃逸。在黑洞的视界内,时空极致的扭曲,以至于光的所有路径最终都只能进入黑洞的更深处。

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地球的引力波

由于时空的扭曲是由质量引起的,所以扭曲是随质量一起运动的。例如,地球将周围的时空扭曲成一个向内收缩的形状(为了理解,粗略的比喻)。当地球绕太阳公转一圈时,这种时空曲率模型也会随着地球运动。

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一个相对于太阳静止的观测者,在接近地球轨道的一点上,可以看到地球在一年的周期中,离太阳越来越近,越来越远,越来越近,越来越远。

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因此,对于这名观测者来说地球的时空曲率模型也在一年的周期中越来越近,越来越远,越来越近,越来越远。如果观察者可以监测到时空的曲率,那么他会发现自己的局部时空在一年的周期中被挤压,然后不被挤压,再被挤压,再不被挤压。因此,观测者正经历一种时空曲率的振荡,这就是一种引力波,它正从地球向外传播。

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这样的情况时时刻刻在宇宙中发生,然而在实践中引力波是太过微弱以至于它们对日常生活没有显著的影响。经过的引力波造成的时空振荡也太过微弱,所以人类也无法察觉或感受到。只有非常灵敏的现代化引力波探测器设备才能探测到引力波。在爱因斯坦预言引力波的存在100年后,科技才达到了能够探测引力波的水准。

引力波显现

不过,这种周期性扭曲时空的想法被过分简化了。如果应用《广义相对论》论的完整数学,你会发现在一个引力波过来时,观测者经历的并非时空挤压和不挤压的循环模式。相反,观察者会经历另一种循环模式,即在同一空间中局部空间会向一个方向拉伸,同时去挤压拉伸方向上的空间,然后拉伸程度慢慢减小,小到一定程度继续在次拉伸,循环往复。

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(好吧!)太抽象了,我知道你可能听不懂我在说什么,我自己也没给自己说明白,我们继续上动图、举个例子。例如,假设一个来自遥远恒星的引力波径直朝你所在的地球表面运动。如果引力波的强度比实际强度高1000万亿倍,那么你会看到一个与东西方向一致的尺子会瞬间变短,而与南北方向一致的尺子瞬间变长。过了一会儿,东西方的尺子变长了,而南北方的尺子变短了。

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在引力波过去之前,每个尺子都会周期性地变长变短。你的尺子没毛病,你的眼睛也没毛病,是时空本身正在扭曲,时空中的一切都经历着扭曲,包括你本人也会变长变短。

引力波探测

现实生活中虽然这种影响很微弱,但引力波确实存在。引力波探测器实际上就是一个非常长的尺子,能够非常准确地测量尺子的长度。

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图:LIGO探测器

例如,LIGO探测器的每个臂长2.5英里,并使用激光精确测量长度。虽然现在科技我们自认为很发达了,但我们所能探测到的引力波也非常微弱,一般情况下只能探测到最大的引力波。

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最大的引力波

目前的探测仪无法探测到绕恒星运行的行星或绕行星运行的卫星所产生的引力波。最大的引力波产生于两个黑洞在快速相互绕转后迅速吞噬。当两颗中子星互相环绕时,或者当黑洞和中子星互相环绕时,在合并之前,也会产生巨大的波。这些是目前为止我们所探测到的引力波的唯一类型。

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一般来说,质量加速时就会产生引力波,圆周运动只是加速度的一种形式。如果一个有质量的物体沿直线加速,与圆周运动的向心加速度相等,那么它就会产生同样的引力波。沿直线下降的物体也会产生引力波。然而,在天文尺度上,一个物体沿着圆形轨道稳定地运动远比一个物体沿直线剧烈地减速或加速要常见得多。

另一点要记住的是,地球在其每年的轨道上产生的引力波不仅极其微弱,而且有一年的周期。这意味着,在另一个星球上的引力波探测器必须观察好几年,才能捕捉到地球轨道运动产生的引力波的振荡形状。相反,就在两个黑洞合并之前,它们以极快的速度相互环绕,以至于每一个黑洞只需几分之一秒就可以转完一个轨道周期。这是使这些类型的引力波更容易被探测到的另一个因素。

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