引力是力,為什麼可以產生波?我們對外用力是在釋放「衝擊波」?

2020-12-20 科學美少男

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

如果把引力認為是牛頓說的力,就很難理解波了。只要能先忘掉引力是一種力,寧可想成「衝擊波」都行,讓我重新給你灌輸一遍為什麼東西會落地。

愛因斯坦在他的《廣義相對論》論中提出的更精確的引力描述,引力波的概念就是從他那來的,但他說的還是會很抽象,所以多上點動圖。

圖:愛因斯說:引力不是力只是穿越時空的漣漪

時空扭曲

《廣義相對論》把引力描述為空間和時間的彎曲。所有物體都會扭曲時空。

當其他物體穿過這個扭曲的時空時,它們會沿著彎曲的時空路徑運動。這些彎曲的路徑看起來像是施加在物體上的力,從而產生的結果,但實際上它們是時空本身被扭曲的結果。

例如,當你把一個球扔給你的朋友,在重力的影響下,它會沿著一個平滑的拋物線軌跡運動。牛頓定律認為,是地球的質量產生的引力作用在了棒球上,逐漸將棒球從直線運動中拉了下來。

然而,更準確的描述是這樣的:地球扭曲了空間和時間。棒球實際上是在一條相對於時空的直線上運動,但由於時空本身是彎曲的,所以這條直線在外人看來就變成了一條曲線。這樣,就不會有任何直接的力作用在棒球上。

棒球原本運動的軌跡就應該是這樣的,只是因為時空扭曲。雖然這一切聽起來很奇怪,讓人難以置信,但是愛因斯坦的《廣義相對論》論一百多年來一直是主流科學,並且被無數的實驗驗證過的。

圖:愛丁頓發現星系光線偏轉證明了《廣義相對論》

原則上,所有物體都會扭曲時空。然而,像房子和樹這樣的小質量物體卻能將扭曲的時空到程度非常小,以至於我們察覺不到它們的影響。大質量的物體,如行星、衛星或恆星,才能使引力效應變得明顯。

圖:除了光子,構成物質的其他粒子也會產生引力波,雖然極其微小

一個物體的質量越大,它扭曲時空的程度就越大,它對其他物體的引力效應也就越強。例如,黑洞的質量非常大,體積卻非常小,連光都無法逃逸。在黑洞的視界內,時空極致的扭曲,以至於光的所有路徑最終都只能進入黑洞的更深處。

地球的引力波

由於時空的扭曲是由質量引起的,所以扭曲是隨質量一起運動的。例如,地球將周圍的時空扭曲成一個向內收縮的形狀(為了理解,粗略的比喻)。當地球繞太陽公轉一圈時,這種時空曲率模型也會隨著地球運動。

一個相對於太陽靜止的觀測者,在接近地球軌道的一點上,可以看到地球在一年的周期中,離太陽越來越近,越來越遠,越來越近,越來越遠。

因此,對於這名觀測者來說地球的時空曲率模型也在一年的周期中越來越近,越來越遠,越來越近,越來越遠。如果觀察者可以監測到時空的曲率,那麼他會發現自己的局部時空在一年的周期中被擠壓,然後不被擠壓,再被擠壓,再不被擠壓。因此,觀測者正經歷一種時空曲率的振蕩,這就是一種引力波,它正從地球向外傳播。

這樣的情況時時刻刻在宇宙中發生,然而在實踐中引力波是太過微弱以至於它們對日常生活沒有顯著的影響。經過的引力波造成的時空振蕩也太過微弱,所以人類也無法察覺或感受到。只有非常靈敏的現代化引力波探測器設備才能探測到引力波。在愛因斯坦預言引力波的存在100年後,科技才達到了能夠探測引力波的水準。

引力波顯現

不過,這種周期性扭曲時空的想法被過分簡化了。如果應用《廣義相對論》論的完整數學,你會發現在一個引力波過來時,觀測者經歷的並非時空擠壓和不擠壓的循環模式。相反,觀察者會經歷另一種循環模式,即在同一空間中局部空間會向一個方向拉伸,同時去擠壓拉伸方向上的空間,然後拉伸程度慢慢減小,小到一定程度繼續在次拉伸,循環往復。

(好吧!)太抽象了,我知道你可能聽不懂我在說什麼,我自己也沒給自己說明白,我們繼續上動圖、舉個例子。例如,假設一個來自遙遠恆星的引力波徑直朝你所在的地球表面運動。如果引力波的強度比實際強度高1000萬億倍,那麼你會看到一個與東西方向一致的尺子會瞬間變短,而與南北方向一致的尺子瞬間變長。過了一會兒,東西方的尺子變長了,而南北方的尺子變短了。

在引力波過去之前,每個尺子都會周期性地變長變短。你的尺子沒毛病,你的眼睛也沒毛病,是時空本身正在扭曲,時空中的一切都經歷著扭曲,包括你本人也會變長變短。

引力波探測

現實生活中雖然這種影響很微弱,但引力波確實存在。引力波探測器實際上就是一個非常長的尺子,能夠非常準確地測量尺子的長度。

圖:LIGO探測器

例如,LIGO探測器的每個臂長2.5英裡,並使用雷射精確測量長度。雖然現在科技我們自認為很發達了,但我們所能探測到的引力波也非常微弱,一般情況下只能探測到最大的引力波。

最大的引力波

目前的探測儀無法探測到繞恆星運行的行星或繞行星運行的衛星所產生的引力波。最大的引力波產生於兩個黑洞在快速相互繞轉後迅速吞噬。當兩顆中子星互相環繞時,或者當黑洞和中子星互相環繞時,在合併之前,也會產生巨大的波。這些是目前為止我們所探測到的引力波的唯一類型。

一般來說,質量加速時就會產生引力波,圓周運動只是加速度的一種形式。如果一個有質量的物體沿直線加速,與圓周運動的向心加速度相等,那麼它就會產生同樣的引力波。沿直線下降的物體也會產生引力波。然而,在天文尺度上,一個物體沿著圓形軌道穩定地運動遠比一個物體沿直線劇烈地減速或加速要常見得多。

另一點要記住的是,地球在其每年的軌道上產生的引力波不僅極其微弱,而且有一年的周期。這意味著,在另一個星球上的引力波探測器必須觀察好幾年,才能捕捉到地球軌道運動產生的引力波的振蕩形狀。相反,就在兩個黑洞合併之前,它們以極快的速度相互環繞,以至於每一個黑洞只需幾分之一秒就可以轉完一個軌道周期。這是使這些類型的引力波更容易被探測到的另一個因素。

相關焦點

  • 力的本質是什麼?只有知道力的本質才能將力統一
    後來發現引力和電磁力都不需要接觸就可以產生,是一種超距作用。並且認為力的作用不需要時間,是瞬時發生的。到後來場的概念被提出來後,人們知道引力,電磁力都是場的作用(場相干),力是通過兩個物體之間的場接觸產生,引力是由於兩個物體之間的引力場相互作用,電磁力是兩個物體之間的電磁場相互作用。而且力傳遞需要時間,力傳遞的速度是光速。
  • 引力之解 *
    引力,自然界四大基本力之一。強力 弱力 電磁力,量子力學已經解釋的很好了,可是搞不定引力。廣義相對論,可以說是目前在解釋引力問題上最好的理論,但科學界在引力的本質這個問題上,不是很買小愛的帳。毫無疑問引力問題仍是目前一致公認的未解之謎。下面是我在引力問題上的一些想法。先擺出我的觀點我認為不是地球把蘋果吸下去了,是蘋果自己要往地球上面去。
  • 廣義相對論中「引力和慣性力等效」為什麼如此重要?
    前面我們多次談到廣義相對論的一個等效原理:慣性力和引力等效,但是這句話很抽象,翻譯成「白話文」就是,凡是遇到你受到引力的場景,都可以等效轉化為你本身並未受到引力,只不過你所處參考系在引力反向上做加速運動舉個例子:當你坐在車裡面,突然踩一腳油門,你會發現有一個有一個虛擬力往後拉你,
  • 萬有引力猜想:星球的引力是怎麼產生的
    萬有引力定律:屬於自然科學領域定律,自然界中任何兩個物體都是相互吸引的,引力的大小跟這兩個物體的質量乘積成正比,跟它們的距離的二次方成反比。萬有引力定律揭示只是自然界中已經形成的物體之間的引力規律,而沒有揭示物體引力是如何產生的。不是所有的物體之間都有引力,有的物體之間還會產生排斥力,最常見的就是兩塊磁鐵同極之間的相斥現象。
  • 為什麼會存在引力?(這篇文章有點料)
    引力,一個非常熟悉的話題,引力是自然界四大基本力之一,人類之所以可以現在地表上,引力可算是功不可沒。但為什麼會存在引力,這卻是一個迷題。人類第一次對引力的認知開始於牛頓時期的萬有引力定律,從那時起,人類就知道了物體的質量越大,它的引力就越大,雖然當時牛頓知道萬有引力定律,但他卻不知道萬有引力是如何產生的。直到1915年,愛因斯坦的相對論的誕生,他將引力描述為質量扭曲時空的幾何現象。即物體會使時空周圍發生彎曲。
  • 「大黃蜂引力」可以解釋為什麼宇宙如此迅速地膨脹
    如果那個陰影比現有物理學理論所預測的要小,它可以幫助證明一個遙遠的概念,即大黃蜂引力,它描述了如果宇宙看似完美的對稱性畢竟不那麼完美會發生什麼。 如果科學家能夠找到一個陰影如此小的黑洞,那將為人們對引力的全新理解打開一扇大門,也許可以解釋為什麼宇宙膨脹得越來越快。 但是,要了解這種大黃蜂想法是如何產生的,讓我們深入研究一些基本物理學。
  • 引力是如何產生的?是時空的扭曲還是由粒子加速度產生?
    研究引力量子的路上荊棘密布。不如來看看另一個問題:量子力學在引力場中是怎樣運用的?在這裡我們將用和愛因斯坦相同的經典引力方法來處理時空。但把經典時空中的物質帶到量子理論的規定下,我們要考慮的是會發生些什麼。像上述利用量子力學處理物質,但用經典物理處理時空是一種混合的手法。
  • 辣,引爆「辣有引力」年輕化衝擊波
    10月21日下午,北京中國電影導演中心,雙匯高層、投資者、消費者、渠道商、經銷商、電商以及各大媒體等代表匯聚一堂,共同見證了一場主題為「辣有引力」的肉類行業盛會—雙匯辣嗎?辣&楊紫明星代言發布會,雙匯重磅官宣:牽手90後實力小花楊紫為雙匯辣嗎?辣的品牌代言人,這對酷辣CP與粉絲們正在碰撞出炫辣多姿的火花!一個別出心裁的辣味潮趴!
  • 為什麼可以一直轉?值得人們探索!
    地球的自轉是來自月球的引力,為什麼我們只能看到月亮的一面而看不到另一面,為什麼大海會有潮起潮落,為什麼我們的地球不是完全正轉而是有23.5度的夾角,它正是受到了月亮引力的結果。月亮就像我們電機中的電磁場,地球就像轉子,只要月亮在地球永遠轉動。
  • 引力與自轉有關係嗎?如果地球沒了月亮的引力,你我還會存在嗎?
    本文基於回答網友這樣的問題:地球自轉可產生引力,為何月球卻不能?直話直說,這種認知是錯誤的。萬有引力與自轉沒有毛關係,凡有質量的物體,都存在萬有引力,因此引力是物質本質屬性,一個原子也不例外,何況月球呼?
  • 時間根本就不是物質,更沒有質量,為什麼引力會讓時間變慢呢?
    愛因斯坦在《廣義相對論》中指出,引力可以讓時間變慢,對於同一個物體而言,它所受到的引力越大,其感受到的時間就越慢,對此他還給出以下公式用以計算(公式中的t代表被觀測者的時間,T代表靜止參考系的時間,G代表引力常數,M代表產生引力場的天體質量,r代表引力場中心與被觀測者之間的距離,c代表光在真空中的速度)。
  • 怎樣理解廣義相對論中引力的非線性?
    恆星周圍的空間彎曲實際上,引力場方程的非線性(引力的非線性)在物理中是有一個比較貼切的對應的,我們可以從這個物理現象來理解引力的非線性,而無需通過抽象的數學性質去理解。引力子為什麼說假想呢?這意味著,單個引力子仍然會因為具有量子化的能動量而對其它粒子產生引力!什麼意思呢,從廣義相對論的角度來講,引力子因為具有能動量,因而會對空間結構產生相應的影響,產生引力——由單個引力子所產生的引力。
  • 如果光線能被引力所扭曲,那是否意味著光也有質量?
    根據愛因斯坦的廣義相對論學說,光線和其他事物一樣,都在同樣的方式下被引力影響著。那是因為基於這條理論上,我們不能再將引力歸於力學一類的矢量中去,而是要將它作為宇宙在「塑形」過程中的一個結果。圖解:空間概念圖從牛頓的觀點出發,引力是任何有質量的物體對其他有質量物體產生的一種線性方向的力。他的研究分析表明,其力的強度與兩個相互吸引物體的質量乘積成正比,與兩者之間距離的平方成反比。
  • 但白矮星可以
    這其實可以將地球的引力結合能搬出來試試水,看看多大級別的能量能超過地球的引力結合能!地球引力結合能:2.45×10^32J一級地震釋放能量為2.0×10^6焦耳每相差1級則能量差別32倍,那麼多少級地震會超過地球的引力結合能呢?
  • 慣性質量和引力質量是同一種東西嗎?為什麼相等?
    質量只有一個,所謂慣性質量和引力質量其實同一個東西,當然就相等啦。讓我們來一起了解一下,這兩個質量都是怎麼來的,又是怎麼變成了統一的。一、慣性質量和引力質量是怎麼來的說起這個話題,還要回到牛頓發表了他那本著名的《自然哲學的數學原理》一書。
  • 地球為什麼繞著太陽轉?它又為什麼自己旋轉?
    重力— ,其中G是引力常數(指示引力強度),M是恆星的質量,m是行星的質量,R表示恆星行星間的距離。因為它在試圖減小R值所以它是負的。你可以用反導數 求引力勢能。力是勢能的導數的負數,這意味著「物體要向下墜落」。
  • 引力質量和慣性質量為何相等,原因是引力是慣性的源泉!
    引力質量和慣性質量為何相等,原因是引力是慣性的源泉!有幾個網友留言,想讓更簡單的解釋一下:引力是慣性的源泉 這句話。所以就試著來解釋一下,希望可以解答你們的疑惑。引力是物質與物質在引力場中的作用。引力場也是這種作用的結果。而這樣的結果就如同一種空間性質。正是由於這種空間性質,才使得物質具有慣性。而且這種慣性的大小隻於物質的質量大小有關。而質量大小,又會決定引力的大小。
  • 憑什麼引力越大時間越慢
    今天我們來聊一下,關於廣義相對論的一個結論,就是「引力越大時間越慢」,科幻作品裡經常出現,比如《星際穿越》裡的「穿越」,靠的就是這個,那麼這個結論對於普通人該怎麼理解呢,為什麼引力越大時間就會越慢,當然真正在廣義相對論單期。
  • 為什麼引力速度必須等於光速?
    引力速度等於光速首先是來自廣義相對論的推論,然後經過了大量的觀測證實,而確立起來的一個宇宙基本規律。引力傳播的速度不像是光速那樣,可以通過隨處可見的可見光去測量,由於引力看不見也摸不著,並且十分微弱,所測量起來十分困難。直到最近幾年我們才通過雙黑洞、中子星的合併發現了引力波的存在,以及測量的其速度,確實是廣義相對論所預測的那樣,和光速無法區分。
  • 地球的引力範圍有多大
    這個高度正位於太空的邊緣之處,在這個高度下看地球,已經可以看到地球的弧形面貌了。在這個高度下,鮑姆·加特納縱身一躍,在地球引力的作用下,他被迅速地拉向地球表面,最終他順利降落在地球表面,完成了人類的一大壯舉。 鮑姆·加特納之所以能夠落到地面,是因為地球的引力作用在他身上。