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​什么是引力波?为什么引力波的传播速度是光速?

引力波是爱因斯坦在广义相对论这个理论做出来以后,根据这个理论做出的推论之一。

那么什么叫引力波?实际上这个说法不太准确,只是比较形象而已。

引力波是大质量物体,弯曲空间的时候,形成的一种空间涟漪。

所以,引力波不是引力的波动,而是空间的波动。

因为根据广义相对论,引力实际上不是一种力,是质量引起附近时空的弯曲。

空间会有弯曲这个问题,在以前是从来没有人想过的。

所有的物理学家和我们的常识都认为,这个空间是平的、是直的。

空间是一个空的东西,这个空的东西怎么会弯曲,这个是无法想象出来的。

爱因斯坦关于空间弯曲的结论,也不是想出来的,是通过一系列严密推理做出来的。

广义相对论最大的成就,就是把质量和空间的关系给理顺了,颠覆了以前人类的认识。

这种空间的弯曲效应,表现出来的就是类似于引力的效应,也就是说和质量成正比,和距离的平方成反比。

所以说,把空间弯曲形成的这种涟漪称为引力波,也是可以理解的。

相对论这个词最开始是从狭义相对论这里面出来的,它的原意是说所有的运动都是相对的。

像广义相对论这种关于空间和引力的理论,为什么要冠以相对论的名称,为什么不叫引力的理论呢?这就是要从推导过程来说起。

根据物理学家对于引力场中物体运动的测量,发现了引力质量和惯性质量完全相等。

所以引力场的局部,可以用做加速运动的惯性系来代替,这被称为等效原理。

那么,我们知道惯性系的运动要受到狭义相对论的约束,要受到光速的约束,光速是所有运动的极限。

爱因斯坦就是根据等效原理,从狭义相对论出发,推导出的广义相对论。

既然是狭义相对论推导出来的结果,必然要受到光速约束,所以在广义相对论里面,光速仍然是极限。

所以,空间弯曲的速度不能超过光速,完全等同于光速。

既然空间弯曲的速度是光速,那么由空间弯曲形成的引力波~空间涟漪,传播的速度必然是光速。

以前没有科学家认识到空间会被质量弯曲,主要是因为这个弯曲的幅度非常、非常的小。

星光掠过太阳表面的时候,引起的偏折角度只有一度的1/200。

所以说,空间的弯曲绝对不是空谈,它和物理测量是对应起来的。

也可以说,广义相对论寓言的空间弯曲,是一种物理测量意义上的弯曲。

这就好像我们去判断一个桌子的面,是曲面还是平面一样。

如果这个桌子的面是曲面,拱起来的,我们用一根直的尺放在它上面,两头就会翘起来,不能放平。

如果对空间弯曲的程度进行一个评估,就必须要用不同的尺子,这个“尺子”在物理学上就被称为度规,也就是说度量的规矩。

在平直空间,两点之间的距离是 X平方加上Y平方加Z平方之和,再开根号。

但是在弯曲的空间中,它前面还要乘以一个特殊的函数,这个特殊的函数,就是相当于测量弯曲空间的尺子。

只不过在平直空间这个尺子是1,在弯曲的空间中,它会变成其他值。

既然质量能够影响空间,大质量的物体在空间中运动,必然会拖动、搅动空间,这就会形成不断向外扩散的空间涟漪。

这就是所谓的引力波。

引力波通常情况下是非常、非常微小的空间起伏。

地球绕太阳转动,也会引起空间涟漪,但以人类的技术是没有办法测量的。

只有质量特别大的星体,相互围绕旋转或者撞在一起的时候,才能够释放出能量巨大的引力波。

这些能量巨大的引力波,在宇宙中会以光速扩散,会引起比较大的波动,才能够让我们的测量仪器有反应。

现代引力波测量就是用激光干涉的方法,在一个真空的管道中,一束激光在两个镜面之间来回反射,形成干涉,一旦空间被扰动了,干涉的条纹就会产生变化,这样我们就知道有引力波了。

世界上第1个引力波测量装置,是美国的激光引力波干涉天文台。

引力波探测对于测量精度的要求非常高,因为引力引起的空间扰动幅度,只有一个质子直径的1/1000。

如果我们把一个原子放大到足球场大小,质子只相当于足球场中间的一个蚂蚁,1‰只相当于蚂蚁身上的一根汗毛。

由此可见,引力波探测难度之高。所以引力波天文台也是经历了很长时间,花了海量的资金以后才研制成功的。

引力波测量装置有两个相互垂直的探测管道,这样才能知道引力波的方向。

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