引力波是什麼,它的速度有多快,能超光速嗎?

愛因斯坦的廣義相對論中最令人驚異的一個預言是：不僅存在著物質、輻射和其他呈粒子形式的能量，而且也存在著引力輻射或者說是時空結構中的基本「漣漪」。這是最難理解的事物之一，帕特倫的支持者羅伯特·漢森想知道更多關於：

引力波是以光速傳播的微小的時空擾動。然而，時空可以比光速更快的擴張和收縮。壓縮波的定義是緊跟在收縮後的擴張所產生的波。這似乎產生了一個悖論：引力波以光速傳播，但似乎有一種理解它們是超光速的，如何解釋這一明顯的悖論？

首先，讓我們從這種輻射（及其產生方式）本身的概念開始。

圖片來源：美國國家航空航天局和哈勃遺產團隊（空間望遠鏡研究所 / 大學天文研究聯合組織），是來自M87星系的由帶電粒子加速產生的相對論射流。

在電磁理論中——甚至在經典電磁理論中——產生電磁輻射只需要兩個條件：一個是帶電粒子、一個是其穿過的磁場。該粒子可以帶正電（如質子），也可以帶負電（如電子），如果它通過磁場，則磁場將會加速此粒子，從而使其沿圓形或螺旋形的路徑運動。

磁場越強，粒子初速度越大，荷質比越大，則粒子的加速度（或運動的變化）越大。

圖片來源：歐南臺/左. 卡薩達，一顆脈衝星繞著其雙星同伴運行，在時空中產生了引力波（或引力漣漪）

但是像這樣的相互作用，既需要保持能量，又需要保持動量。而在作用過程中，只要電荷因外部磁場加速，那麼它就一定會發出輻射，電磁學正是以這樣的方式發揮作用。這種（電磁形式的）輻射以光子的形式出現，根據其產生方式的不同，可以分為為阻尼、回旋加速器或同步加速器輻射。

在牛頓經典物理學中，沒有中立輻射之類的東西，但是愛因斯坦的廣義相對論改變了這一切。巨大的輻射源——像粒子之類的東西——類似於引力電荷，然而空間的彎曲結構本身就類似於引力場。在恆星，白矮星，中子星或黑洞存在的情況下，每當大質量的粒子通過彎曲的空間時，該空間可能會嚴重彎曲，它將發出類似電磁輻射的東西：引力輻射。

圖片來源：託德·斯特羅邁耶（戈達德宇宙飛行中心），通縮公鏈體系，美國國家航空航天局——插圖：丹娜·貝裡（通縮公鏈體系）。

這種新的輻射形式既不是光子也不是任何其他形式的微粒輻射，而是在空間結構本身形成的漣漪：引力波。 對於像地球這樣質量的繞太陽運行的行星來說，其產生引力輻射，小到需要大約10 ^ 140宇宙年才能明顯地改變軌道，所以我們永遠都不會看到它。 但是對於質量更大、距離更近而且場更強的系統，作用的結果則會更加巨大：諸如脈衝星雙星系統、繞著我們銀河系中心的超大質量黑洞或者甚至正在合併的黑洞系統。 在這些情況下，可以觀察到軌道衰減，而且因為使能量守恆，我們知道某些物質一定會散發出來。

空間中獨一無二：當兩個中子星開始圍繞一個共同的重心旋轉時，他們發出了引力波（左）。因為這會導致兩個中子星持續地失去一部分軌道能量，他們在螺旋形軌道上互相緩慢靠近，並且環繞周期變短。右圖顯示了雙脈衝星PSR j0737-3039的一些條件。

該「物質」是引力輻射（又稱引力波）無疑，並且由於對脈衝星雙星系統的觀察，我們知道引力輻射的速度必須等於光速，可以精確到0.2％！ 換句話說，引力波的漣漪實際上以與光子相同的速度在空間中移動。 二者主要區別在於：在引力輻射的情況下，這些漣漪是空間結構本身所固有的。

由快速繞行的恆星（中子星、白矮星或黑洞）產生的時空漣漪。圖片來源：美國國家航空航天局。

那麼，回到羅伯特最初的問題，當這些漣漪不是在（近乎）靜態空間中產生的，而是在膨脹的宇宙中產生的時候，又會發生什麼？答案是：它們會像光子一樣被拉伸而且受到宇宙膨脹的影響。

當光子在膨脹的宇宙中傳播時，它們的波長隨著空間結構的膨脹而拉伸。它們的數量（和能量）密度會稀釋，儘管它們總是以光速傳播，但發射源和觀測接收器之間的距離會改變。例如，大約是138億年前，就在大爆炸開始時，在膨脹結束後10^-33秒：

今天到達我們這裡的光子，在138億年前離我們只有100米遠。

經過138億光年的旅程穿過膨脹的宇宙，這顆光子將旅行138億年，並將其波長拉伸大約28個數量級。

今天到達我們這裡的光子，其發射地點將會距離我們461億光年。

聽起來很瘋狂？好吧，引力波也是同樣的！引力波也必須穿過膨脹的宇宙，也必須以光速穿過空間（無論空間是膨脹的、收縮的還是靜止的），其波長的拉伸方式與光子的拉伸方式完全相同。引力波「駕馭」空間結構，就像水波「駕馭」水面一樣；如果有一塊石頭掉進河裡，漣漪不僅僅是徑向向外移動，它們在向外移動的同時也順流而下。

圖片來源：來自羅馬尼亞的巴喬，屬於c.c.-2.0的通用商標。

空間結構中的引力波有些類似於：漣漪以它們的固有速度（即光速c）在介質中移動，但有時介質本身也會移動。但是這並不意味著引力波的速度超越了光速或者說比光子的速度快，事實上當過了138億年時，它們僅僅行進了距離其起點460億光年的路程；引力波的速度的確如人們所設想的那樣。請注意，將其類比成壓縮後再進行稀疏化實際上是一個非常非常好的形式。傳播過來的引力波將以非常特殊的方式拉伸和壓縮空間結構（及其中的所有物質/粒子），從而扭曲空間結構。

但是，無論空間結構本身是在：擴展，收縮或保持靜止，以光速在宇宙中傳播的方式是都最快的。這就是那悖論的解釋：無論你如何改變引力波正在穿過的空間結構，它們都以光速行進！

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. forbes- FrozenC

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處