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深层解读引力波:它为何会以光速传播?

发布时间:2019-07-09 15:38:49  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:175

    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      时空中的波纹就是引力波,它们以光速在空间中向各个方向传播。虽然爱因斯坦的广义相对论方程式中从未出现过电磁学常数,但引力波无疑是以光速运动的。
      描述整个宇宙需要两类基本理论。一方面,有量子场论,它描述了电磁力和核力,并解释了宇宙中所有的粒子以及控制它们的量子相互作用。另一方面,广义相对论,它解释了物质/能量和空间/时间之间的关系,并描述了我们所经历的引力。在广义相对论的背景下,出现了一种新的辐射类型:引力波。然而,尽管这些引力波与光无关,但它们必须以光速传播。这是为什么呢?
      我们知道电磁辐射的速度可以由真空中的麦克斯韦方程推导出来,这是个很深奥的问题。让我们深入了解细节。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      可以写出各种各样的方程,比如麦克斯韦方程,来描述宇宙的某个方面。我们可以用多种方式把它们写下来,因为它们有微分形式(左)和积分形式(右)。只有将他们的预测与物理观察进行比较,我们才能得出关于其有效性的任何结论。
      乍一看,麦克斯韦方程组并不一定能预测光速辐射的存在。这些方程清楚地告诉我们有关的行为:
      静止的电荷,
      运动中的电荷(电流),
      静电(不变的)电场和磁场,
      以及这些电场和电荷如何相互移动、加速和变化。
      现在,仅仅利用电磁学定律,我们就可以建立一个物理上相关的系统: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。这是卢瑟福原子的最初模型,伴随着一场巨大的生存危机。当负电荷穿过空间时,它会经历一个不断变化的电场,并因此而加速。但是当带电粒子加速时,它必须将能量辐射出去,而唯一的方法就是通过电磁辐射。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      在原子的卢瑟福模型中,电子绕带正电荷的原子核运动,但会发出电磁辐射,并看到轨道衰变。这需要量子力学的发展,以及玻尔模型的改进,才能理解这个明显的悖论。
      在经典电动力学的框架内,这有两个效应是可以计算的。第一个效应是负电荷会螺旋进入原子核,就好像你在放射能量,你必须从某个地方得到能量,唯一能得到能量的地方就是运动中的粒子的动能。如果你失去了动能,你不可避免地会向中心旋转,吸引物体。
      你能计算出的第二个效应是发射辐射发生了什么。麦克斯韦方程组中有两个自然常数:
      ε0,自由空间的介电常数,这是基本常数描述两个电荷之间的电力在真空中。
      μ0,自由空间的渗透性,可以认为是常数,它定义了两个平行生产的磁力进行电线在真空恒流贯穿而过。
      当你计算电磁辐射产生的属性,它表现得像一个波的传播速度等于(ε0μ0)1/2,这恰好等于光速。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      相对论性电子和正电子可以加速到非常高的速度,但会以足够高的能量发射同步辐射(蓝色),阻止它们运动得更快。这种同步加速器辐射是卢瑟福多年前预测的辐射的相对论类比,如果你用引力场和电荷来代替电磁场和电荷,它就有一个引力类比。
      在电磁学中,即使细节很容易算出来,整体效果也很直观。经历外部电磁场变化的移动电荷会发出辐射,这种辐射既能带走能量,又能以特定的传播速度移动:光速。这是一个经典的效应,可以在完全不涉及量子物理的情况下推导出来。
      现在,广义相对论也是一个经典的引力理论,完全没有涉及量子效应。事实上,我们可以想象一个非常类似于我们在电磁学中建立的系统:一个运动中的质量,绕着另一个质量旋转。运动的物体会经历一个不断变化的外部引力场。它将经历空间曲率的变化,这导致它发射辐射,带走能量。这就是引力波的概念起源。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      对于电磁学中的辐射反应,也许没有比引力理论中围绕太阳运行的行星更好的类比了。太阳是最大的质量源,因此使空间弯曲。当一颗巨大的行星穿过这个空间时,它会加速,这就意味着它必须释放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,你可以想象它可以取任何值,必须与光速完全相等?也许最重要的是,但我们怎么知道?
      想象一下,如果突然使出终极宇宙魔法,让太阳消失,会发生什么。如果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1.5亿公里所需要的时间。但万有引力不一定是相同的。正如牛顿的理论所预测的那样,引力有可能是一种瞬时现象,宇宙中所有有质量的物体都能同时感受到,跨越浩瀚的宇宙距离。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      一个关于行星如何围绕太阳运行的精确模型,然后太阳以不同的运动方向穿过星系。如果太阳完全消失,牛顿的理论预测它们将立即以直线飞行,而爱因斯坦的理论预测内行星的轨道运行时间将比外行星短。
      在这种假设情况下会发生什么?如果太阳在某一特定时刻以某种方式消失,地球会立即以直线飞行吗?或者地球会继续在椭圆轨道上运动8分20秒,直到以光速传播的不断变化的引力信号到达地球时才偏离轨道?
      如果你问广义相对论,答案更接近后者,因为不是质量决定引力,而是空间的曲率,它是由空间中所有物质和能量之和决定的。如果你把太阳拿走,空间就会从弯曲变成平坦,但只是在太阳物理位置上。这种转变的影响会向外辐射,产生非常大的涟漪。引力波——像三维池塘里的涟漪一样在宇宙中传播。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      无论是通过介质还是在真空中,每一个传播的波纹都有一个传播速度。在任何情况下,传播速度都不是无限的,理论上,重力波传播的速度应该与宇宙中的最大速度相同:光速。
      在相对论的背景下,无论是狭义相对论(在平坦空间中)还是广义相对论(在任何广义空间中),任何运动的速度都是由同样的东西决定的:它的能量、动量和静止质量。引力波,像任何形式的辐射一样,有零静止质量,但有有限的能量和动量,这意味着它们没有选择:它们必须始终以光速运动。
      这有一些有趣的结果。
      任何惯性(非加速)参考系中的观察者都会看到引力波以光速运动。
      不同的观察者会看到引力波的红移和蓝移,这是由于所有的影响——比如源/观察者的运动,引力波的红移/蓝移,以及宇宙的膨胀——电磁波也会经历这些影响。
      因此,地球的引力不是被现在的太阳所吸引,而是被8分20秒之前的太阳所吸引。
      空间和时间与光速有关这一简单的事实意味着所有这些表述都必须是正确的。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      当一个质量绕另一个质量运行时,就会发出引力辐射,这意味着在足够长的时间尺度内,轨道会衰减。在第一个黑洞蒸发之前,假设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余部分。地球被吸引到大约8分钟前太阳所在的位置,而不是今天的位置。
      最后这句话,关于地球在8分20秒之前被太阳吸引的说法,是牛顿的引力理论和爱因斯坦的广义相对论之间真正革命性的区别。它之所以具有革命性,是因为一个简单的事实:如果引力只是以光速将行星吸引到太阳之前的位置,那么行星的预测位置将与它们实际观测到的位置严重不匹配。
      牛顿定律要求瞬间的重力速度达到如此精确的程度,如果这是唯一的约束条件,那么重力的速度肯定比光速快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:绕太阳运行的行星在运动。当一颗行星运动时,你可以把它想象成一个引力脉动,从它上升到下降的不同位置。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      当一个物体穿过一个弯曲的空间时,由于它所处的弯曲空间,它会经历一个加速度。当它穿过空间曲率不断变化的区域时,它的速度也会产生额外的影响。这两种效应结合起来,与牛顿引力的预测结果略有不同。
      在广义相对论中,与牛顿引力相反,有两个重要的区别。当然,任何两个物体都会对另一个物体施加引力,通过弯曲空间或施加一个长程力。但是在广义相对论中,这两个额外的部分在起作用:每个物体的速度影响它如何体验重力,在引力场中发生的变化也是如此。
      有限的重力速度会引起引力场的变化,这与牛顿的预测大相径庭,与速度相关的相互作用的影响也是如此。令人惊讶的是,这两个效应几乎完全抵消。正是这种对消的微小不精确性,让我们得以首次测试牛顿的“无限速度”或爱因斯坦的“重力速度等于光速”模型是否符合我们宇宙的物理学。
      为了测试重力的速度是多少,通过观测,我们需要一个空间曲率很大,引力场很强,加速度很大的系统。理想情况下,我们会选择一个大的、质量大的物体在一个不断变化的引力场中以一个不断变化的速度运动的系统。换句话说,我们想要一个系统,在一个很小的空间区域里,有一对紧密的轨道运行的,可观测的,高质量的物体。
      自然与此相配合,因为双星中子星和双星黑洞系统都存在。事实上,任何有中子星的系统都有能力被非常精确地测量,如果发生了一件意外的事情:如果我们的视角与中子星极点发出的辐射完全一致。如果这种辐射的路径与我们相交,我们可以在中子星每次旋转时观察到一个脉冲。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      双星脉冲星的轨道衰减率与重力和双星系统的轨道参数高度相关。我们利用双星脉冲星的数据将重力的速度限制在光速的99.8%以内,并在LIGO和Virgo探测到引力波之前的几十年就推断出引力波的存在。然而,直接探测引力波是科学进程的一个重要部分,如果没有它,引力波的存在仍然是有疑问的。
      作为中子星的轨道,脉冲星携带着大量关于这两种成分的质量和轨道周期的信息。如果你在一个双星系统中观察这个脉冲星很长一段时间,因为它是一个非常规则的脉冲发射器,你应该能够探测到轨道是否在衰变。如果是,你甚至可以提取出辐射的测量值:它传播的速度有多快?
      爱因斯坦的引力理论的预测对光速非常敏感,以至于甚至从第一脉冲双星系统在1980年代发现,我们有约束重力的速度等于光速的测量误差只有0.2% !
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      类星体QSO J0842+1835,其路径在2002年被木星引力改变,间接证实了重力的速度等于光速。
      当然,这是一个间接的测量。我们在2002年进行了第二类间接测量,一次偶然的巧合使地球、木星和一个非常强的射电类星体(QSO J0842+1835)沿着同一条视线排列。当木星在地球和类星体之间移动时,木星的引力弯曲允许我们间接地测量重力的速度。
      结果是确定的:他们绝对排除了引力效应传播的无限速度。仅通过这些观测,科学家们就确定了重力的速度在2.55×108 m/s和3.81×108 m/s之间,完全符合爱因斯坦299,792,458 m/s的预测。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      两颗合并中子星的艺术家插图。波浪形的时空网格表示碰撞产生的引力波,而窄光束则是在引力波(天文学家探测到的伽马射线爆发)几秒钟后射出的伽马射线束。引力波和辐射必须以相同的速度传播,精确到15位有效数字。
      但是,引力的速度等于光速的最有力证据来自2017年对一颗千诺娃星的观测:两颗中子星的吸气和合并。一个壮观的多信使天文学的例子,引力波信号首先到达,记录在LIGO和室女座探测器。然后,1.7秒后,第一个电磁(光)信号到达了:来自爆炸灾难的高能伽马射线。
      因为这个事件发生在1.3亿光年之外,重力和光的信号到达时的时间差小于2秒,所以我们可以限制重力与光速之间可能的偏离。我们现在知道,根据这个,它们的差值小于10^15分之1,或者说小于光速的1 千万亿分之一。
    深层解读引力波:它为何会以光速传播?
      长时间以来被认为是由中子星合并而来的快速伽马暴。它们周围富含气体的环境可以延迟信号的到达,这解释了观测到的重力信号和电磁信号到达之间的1.7秒差异。
      当然,我们认为这两个速度是完全相同的。只要引力波和光子都没有静止质量,重力的速度就应该等于光速。这1.7秒的延迟很可能是由于引力波在不受扰动的情况下穿过物质,而光在电磁作用下发生相互作用,当它穿过空间介质时,极有可能使它的速度减慢一点点。
      重力的速度确实等于光速,尽管我们不是用同样的方法推导出来的。麦克斯韦把电和磁这两种以前独立而又截然不同的现象结合在一起,而爱因斯坦只是把狭义相对论的理论扩展到一般的所有宇宙时间。虽然引力速度等于光速的理论动机从一开始就存在,但只有通过观察证实,我们才能确定。引力波确实是以光速传播的。