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」?

2020-12-05 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。

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