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引力波的速度为什么正好等于光速?其中暗藏着怎样的秘密?

发布时间:2018-11-20 10:14:26  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:196

      电磁波和引力波的波动方程在闵可夫斯基4维时空中的洛伦茨不变表达式是类似的。如果不是考虑波源的辐射性质,只研究两种波在自由真空中的传播性质的话,两个方程的形式完全一样:
    引力波的速度为什么正好等于光速?其中暗藏着怎样的秘密?
      光速的定义
      上图中的电磁波和引力波方程,数学形式完全一致,因此,两种波传播的速度都是两个方程中的常数c。这儿c指的是光速。光在本质上也是一种电磁波,所以,电磁波的速度是光速毋庸置疑,但读者可能会产生疑问:引力波的速度为什么也是光速呢?
      并且,从物理史的角度考虑,光(或电磁波)的速度最开始是从麦克斯韦方程组推导出来,用电解质和磁介质的参数计算而得到,上图中最下面方框中的公式。从那两个公式看起来,似乎光速c只应该是电磁波的“专利”,因为它与物质电磁性质的参数有关。引力波似乎与介质参数搭不上架。
      但是,在爱因斯坦建立的狭义相对论中,对光速的理解已经不一样了。狭义相对论认为光速不变,因此,光速c作为一个普适的、与电磁场无关的基本物理常数进入到理论物理的方程中。所以,当表达物理定律的方程被写成4维空间的相对论洛伦茨不变的形式时,往往都包含了c作为一个物理常数。
    引力波的速度为什么正好等于光速?其中暗藏着怎样的秘密?
      (图片来自网络)
      不过,所谓“光速”,有其原来的物理意义。首先,它是光(电磁波)在真空中的传播速度,是可测物理量。再则,从经典电磁理论中根据安培定律等实验中总结的规律,它又可以从介质参数(真空的电容率ε0和磁导率μ0)计算出来,而这些参数也是可以测量到的。测量总有误差,可测物理量中有一些被规定为基本物理量。爱因斯坦的相对论则将光速作为信息及能量传输速度的极限,将光速不变作为基本假设。
      这些有关理论、实验、测量、度量标准等等问题,有时会产生一些互不相容的矛盾之处,或者造成定义循环。在此我们略去历史细节不谈,只介绍目前所使用的有关“光速”的结论。
      在1983年的17届国际计量大会上,将数值c=299792458米/秒,作为光速的“定义”。这个数值与当时认为最精确的测量值一致,但又不同于测量值。测量值有误差范围,测量值将随着时间而更新,这个数值却是一个固定的整数,被定义为c。所以,c是一个没有误差的“精确值”,虽然我们仍然把它叫做光速。光速的值固定了,时间和长度又怎么办呢?时间的基准使用铯的辐射周期,即将铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的9192631770个周期持续的时间定义为一秒。
    引力波的速度为什么正好等于光速?其中暗藏着怎样的秘密?
      (用铯-133原子定义“1秒”)
      有了“c”和“1秒”的定义之后,再反过来定义“1米”,即 “1米是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”。总之,后来我们放到物理方程中的“c”,已经不仅仅是一个与“电磁”作用相关的物理量了。“光速”居然被定义成了一个整数!物理学家们已经把光速转换成了一个固定值,把它当成了一把标准的“尺子”来使用。
      因此,引力波满足的波动方程中的c,是一个物理基本常数(299792458m/s),不是从测量光速得到的,也不是从真空电容率和磁导率计算而来,而是被“定义”的。
      引力波h(度规张量的变化)在真空中传播时,可以分解成平面波的叠加:
      h = A*exp(ikx),其中A 是振幅,k是4维波矢量,x是时空坐标。将上式代入波动方程中可得到k的基本性质:Kx2+ky2+kz2-k02/c2 = 0,说明k是一个沿着光锥的矢量,即引力波的速度等于c(定义的光速)。
    引力波的速度为什么正好等于光速?其中暗藏着怎样的秘密?
      (引力波。图片来自网络)
      引力波经过物体时,引起和潮汐力类似的效应。本书第一章中曾经介绍过潮汐力。在广义相对论中,人们将由于引力不均匀而造成的现象统称为潮汐力。当引力波通过物体时,传过来的是时空度规的变化,也等效于造成物体的不同部分经受不同大小的引力,所以,引力波对物体的影响类似于潮汐力。或者说,潮汐力可以由引力波产生。
      但是,我们通常所说的地球表面海洋的潮汐现象,是因为月亮对地球的引力不均匀而形成的,是一种引力造成的效应,但不是引力波,也并不是引力波造成的。也就是说,我们在地球上观察到的潮汐现象与“引力“有关,但与“引力波”无关。海洋的潮汐现象用牛顿万有引力或者广义相对论都可以解释。