引力的傳播速度是光速,科學家是如何測量出來的?

2021-01-19 騰訊網

萬有引力最先是在牛頓的經典物理學中提出的,由於限於當時的時代,沒有將引力當作場來對待,而到了愛因斯坦的時代,物理學進步了許多,從而提出了相對論,更準確的解釋了引力。

在愛因斯坦的相對論中,光速是恆定的,並且是不可超越的,但在宇宙間能夠達到光速的不僅僅只有光,還有引力、磁場和電場,同樣它們也能以光速進行傳播。按照牛頓的經典力學來說,引力是瞬間作用的,不過愛因斯坦卻認為引力波與光速一致,而後來終於有科學家們證實了引力波的速度,與光速達到了一致。

什麼是引力?

首先提出萬有引力的是牛頓,在他看來引力可以描述成兩個物質之間的吸引力,不過後來愛因斯坦提出了廣義相對論,這與牛頓持相反的態度,他主張引力並不是一種單純的力,它其實是物體彎曲時空的結果,雖然現如今的宇宙天體運行都受到萬有引力的制約,但是很明顯它是已知的基本力中最弱的一個,尤其是在分子和原子尺度上。

如果把一個物體從地上提起來或向上運動,這其實就是在抵消地球的引力,並且在分子和原子水平上,引力相對於其他幾個的基本力來說幾乎沒有任何影響。但引力與其他的基本力作用範圍不同,它的作用範圍可以延伸到無限遠並且還能夠無限疊加,而且其強度和質量分布有著密切的聯繫。

換句話來說就是只要在一定的空間內不斷增加質量,引力的強度就也能夠無限增加,因此我們可以毫不誇張的說是萬有引力造就了恆星、中子星、黑洞等等。

試想一下,如果一個物體能夠濃縮到自己質量的史瓦西半徑中時,那麼最弱的引力就會變成最強的力,並且還能把進入其範圍的一切撕碎甚至吞噬掉,即使是具有最高速度的光也是無法從裡面逃逸出來的。

什麼是引力波?

愛因斯坦預言引力波

在1916年,愛因斯坦首先預言了引力波的存在,他認為引力波其實是由宇宙中某些最劇烈和充滿活力的過程所引起的波紋,而且他的數學曾經計算表明巨大的加速物體會破壞時空,從而使時空會有起伏「波紋」並向遠離源的所有方向傳播,更厲害的是這些宇宙波將會以光速傳播,並攜帶有關其起源的信息以及有關引力本身性質的線索。

證明引力波的存在的第一個證據

但在當時並沒有任何證據能夠證明引力波的存在,直到1974年才出現了證明引力波的第一個證據,這就要從兩名天文學家在波多黎分別使用阿雷西博天無線電臺說起,這兩位天文學家通過這個電臺發現了一個雙星脈衝星,而這個雙星脈衝星輻射發出的波正是廣義相對論預測的這種系統應該輻射出的引力波,這和愛因斯坦在相對論預測到的引力波相似。

進一步證實宇宙波的存在證據

因此天文學家們便開始測量恆星的軌道如何隨時間變化,皇天不負有心人,經過八年的觀察他們可以確定,如果恆星發出引力波,它們正以廣義相對論所預測的速率精確地彼此靠近,這進一步的證實引力波的存在,但是這些都只是間接的接觸來證實了引力波的存在。

直到2015年9月14日,雷射幹涉引力波天文臺物理竟然感應到了時空的波紋,並且這個波紋是由兩個相距13億光年的碰撞黑洞產生的引力波引起,這使人們更加確定了引力波的存在。

如何觀測引力波?

引力波探測儀是目前為止最精確的測量系統,為了檢測到引力波這種在時空中只有微小的扭曲現象,物理學家們使用了一種稱為雷射幹涉儀的儀器。

聚焦光束會被朝著不同方向發送在兩組鏡子之間來回反彈後被送到檢測器,如果在這個過程中的引力波經過幹涉儀,那麼反射鏡之間的距離會發生微小的變化,而這個變化就會被探測儀轉化為兩個信號之間的測量差異。

由於來自引力波的信號是比較微小,而受到還會有一些噪音幹擾,為了增加引力波對於背景噪音的可檢測性,雷射經過的路徑就會很長。

雷射幹涉儀引力波觀測臺(LIGO),這個儀器是為了隔離來自於地面上引力波引起的幹擾,探測器被掛在空中,為了進一步的避免檢測錯誤,LIGO有兩個探測器(一個在華盛頓州漢福德,一個在路易斯安那州利文斯頓),在兩個探測器上觀測到了只差距幾毫秒的具有基準特性的信號。

引力的傳播速度為光速是如何測量出來的呢?

測試引力波其實是非常難得,因為它們到達地球時已經變得非常微弱了,所以對引力波的檢測需要極高的技術條件,而國際上目前通行的引力波測試儀器是雷射幹涉計。但還有一種間接測試引力波的方法。

引力與物體的質量有關,一個物體的質量越大,其產生的引力也就越大,而黑洞是宇宙中質量最大的天體,所以當科學家們探測到引力波的時候,一定是在宇宙中出現了兩個質量很大的天體發生碰撞,可能是黑洞,還有可能是兩顆中子星發生了碰撞。因此我們可以間接地利用中子星來對引力波進行探測。

由於中子星會發出比較規律的超高精度脈衝,而通過這一特點,我們也可以測量由引力導致的脈衝星脈衝周期的變化,來估算出引力波變化的上限,以確定引力波的傳播速度,這種間接對引力波傳播速度的測量已經探測到引力波的探測速度在2.993×10^8米每秒到3.003×10^8米每秒之間。

相關焦點

  • 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。
  • 在知乎回答:開著手電筒跑步能否使光傳播速度超過真空光速?
    這個問題這樣剖析出來,就是問「手電筒相對地面運動起來發出的光相對於空氣的速度值」與「手電筒相對地面靜止時候發出的光相對於空氣的速度值」是否一樣?如果「手電筒相對地面運動起來發出的光相對於空氣的速度值」是受「手電筒相對地面運動」的影響的,那麼,這兩個速度值就不一樣了。如果讀者知道「光傳播不依賴於光源運動狀態」,問題的答案就可以很明白了吧?
  • 還在以為光速最快?科學家發現的另兩種速度遠大於光速!
    但從愛因斯坦相對論建立至今,科學家們並沒有局限於光速不可超的事實,一直在不斷尋找一種超光速的速度,但成果卻不盡人意,科學家們也親自製作了很多人為速度,但這些速度永遠超不過光速,目前最高也只有光速的0.99999倍。
  • 還以為光速是最快的?科學家:這4種現象跟光速比,堪稱「瞬移」
    一直以來,很多的科學家都表示,在人類所認知的宇宙中,任何物質幾乎都無法超越光速,換句話說,即人類已知的質量粒子都是無法超越光速的。小夥伴們可能已經開始質疑了:事實真的是這樣的嗎?真如科學家們所認為的那樣,人類已知的質量粒子都無法超越光速嗎?
  • 還以為光速是最快的?科學家:這4種現象跟光速比,堪稱「瞬移」!
    很多人都有探索太空的想法,但是受限於我們人類飛船的速度太慢,而至今都只能徘徊在太陽系內,人類一直都致力於提高飛船速度,甚至達到或超過光速,來實現遨遊太空的夢想。一直以來,很多的科學家都表示,在人類所認知的宇宙中,任何物質幾乎都無法超越光速,換句話說,即人類已知的質量粒子都是無法超越光速的。
  • 光速大約30萬公裡/秒,這是怎麼測量出來的?
    在經典力學裡,只要知道物體行進的距離和時間,就可以計算出平均速度。這裡的計算對光速的測量也是適用的,只要我們知道光通過的距離,以及中間經過的時間,就能計算出光速。
  • 醒醒吧,還認為宇宙中光速是最快速度?還有三種速度遠超光速!
    光速是科學家們目前發現自然界物體最快速度,它被用來表示許多距離人類萬分遙遠的事物的最快能核實抵達,例如測量從地球到月球的距離,就需要行走384401公裡,而用光速行走,只需要2.5秒,可見,在浩瀚無際的宇宙之中,倘若人們掌握擁有光速的飛行器,前往任意星球、自由探索宇宙奧秘將不再是夢想。
  • 「光」跑的這麼快,它的速度是如何測量的?
    對於光,它的速度似乎是無限的,在日常生活中,光似乎能瞬間從一個地點到另一個地點,例如我們打開手電筒,幾乎就在同時我們就看到了手電筒發出的光傳播的很遠。其實光的速度也是有限的,只不過非常大。光在空氣中的速度約為3*10^8 m/s。這個速度有多快呢?光在一秒鐘內前進的距離大約就可以繞地球赤道7圈半,也就是說,幾乎一眨眼的時間光就可以毫不費力的環遊世界。
  • 為什麼真空光速相對所有參考系速度不變?
    伽利略是第一個對此提出質疑的科學家,為此,他在1600年左右曾經嘗試過用簡陋的儀器測定光速,結果大家都知道,沒測出來。光速太快了,他的儀器不行。1728年9月,布拉德雷發現了光行差現象,即星的表觀位置在地球軌道速度方向上的位移。根據光行差角α=v/c(v是地球軌道速度),可以估算光速值,這項獨立觀測使科學家確認了羅默當年所觀測的木星衛星食的延遲就是光速有限的有力論據。
  • 引力是如何產生的,人類能夠解釋引力嗎?
    引力其實是一個非常神秘的基本力,因為引力實在是太小了,我們每天從桌子上拿起手機,就能夠輕輕鬆鬆對抗整個地球產生的引力。而引力也是當今物理學非常難以統一的力,量子力學甚至到現在都無法解釋引力為何存在。
  • 淺談光速的測量——單位「米」背後的故事
    光速既然能被17世紀前的人們認為是無窮大,就一定有其理由。自不必說,這理由就是光速實在是太快了。一英裡的距離太短,即便是乘以二也一樣。而且,另一個人從看見光信號到點起手中的燈,以及伽利略看見來自另一山頭的光信號到停止計時,這本身就需要時間,因為人的反應也是需要時間的。而且相比於光傳播的時間,這段反應時間非常之長,以至於用伽利略的方法測出來的結果更多是體現人的反應速度而不是光的傳播速度。
  • 電源打開,立刻就有電流,電的傳播速度等於光速?
    因此,電是多種多樣的,所以電的速度也有很多種形式,要通過具體的情況分析,也正是因為此,電這個對象成為了很多物理老師出題的最愛,不過做題的學生們就很頭痛了。生活中,我們一打開家中電源的開關,立刻就有電的形式表現出來。
  • 為何光速是30萬公裡每秒?是什麼限制了光速?
    大家都知道,光線是現在宇宙所有物質中,在真空中傳播速度最快的(排除量子糾纏和宇宙膨脹現象,因為它們都不能傳遞信息),這個速度值為299792458米每秒,為了便於記憶和計算的方便,人們通常將光速近似看作30萬公裡每秒。
  • 萬有引力的傳播速度是多少?
    因此,面對這個問題,牛頓拿出來的方案就是大名鼎鼎的萬有引力定律,認為兩個物體之間存在著彼此吸引的力。如果歷史讓胡克等人想到,可能想到取得名字未必會是這個。比如:愛因斯坦認為根本不存在萬有引力定律,出現這樣的情況是因為時空的彎曲,這我們下文還會詳細說到。
  • 光速並非宇宙最快速度,4個「超光速」現象,你知道幾個?
    現在,連光速是宇宙中最快的速度這一理論也將不再成立。可想而知,我們的宇宙到底存在多少我們無法想像的事。那你知道超過光速的這四種速度是哪四種嗎?在宇宙誕生的初期,宇宙暴漲的速度是超過光速的。現在,科學家普遍贊同宇宙起源於大爆炸的說法。宇宙是從一個奇點開始的。但是科學家所說的大爆炸不是像我們理解的爆炸。我們理解的爆炸是砰的一聲。
  • 《引力的動態理論》只有旋轉概念,卻沒有速度,速度的參數必須被銷毀,不存在速度.每一個引力的誕生都會歸附到旋轉之上,成為重力場
    「引力門系統」(釣飛碟系統)是直接通過「良善的外星人」得到高科技支持的方法;「死光」的主要用意是預防「非良善的外星人」的攻擊而作為防禦使用,包含摧毀外太空的隕石,並非用來攻擊地球人,其中也涵蓋了如何在宇宙的各角落去利用引力而成為取之不盡用之不竭的能源方式;「空間傳送系統」的大致內容估計要有「特定元素」才能製造,而這些元素在地球上都沒有,故而要先通過「引力門系統」去取得。
  • 科學家首次確認聲音速度極限,約為空氣中傳播速度的105倍
    聲波可以通過不同的介質,如空氣或水,並以不同的速度傳播。也就是說,聲音的傳播速度,取決於它們通過的介質是什麼。從中學物理課上我們就知道,聲音在空氣中的傳播速度大約是 340 米 / 秒,而聲音在固體中的傳播則更快,比如在地球上已知的最堅硬的物質金剛石(鑽石)中,聲音的傳播速度能夠達到 18 千米 / 秒。
  • 引力是否存在於大爆炸發生之前?
    這一質量膨脹得像一個巨大的氣球,膨脹速度比光速還快,這種現象被稱為大爆炸。現在你們可能在想,等一下……比光速還快?你們可能已經聽過無數次了,沒有什麼比光速更快的了。你是對的。愛因斯坦的相對論認為光速是恆定的,但這一定理只對穿越時空的物體有效。
  • 愛因斯坦提出光速是物質運動最高速,那還有比光速更快的速度嗎?
    一,光速不變原理光速不可超越指的是靜止質量不為0的物體運動速度,或者說是傳遞有效信息或能量的速度不能超越光速。這個結論不光來自於大量的實踐觀測,也來自於一個叫做「光速不變」的原理,這是狹義相對論的基本原理之一。這個原理說的是光在真空中的傳播速度對於任何參考系是不變的,與光源和觀察者的運動狀態無關。
  • 行星的質量是如何測量出來的?科學家給出了幾種方法,每種都實用
    科學的方法當你站在秤上面時,秤測量的是地球引力對你的引力有多大,而地球引力的大小不僅取決於你的體重,還取決於地球的重量。行星越重,它的引力就越大,所以科學家可以通過測量地球對另一個物體的引力來測量地球的重量。圖解:萬有引力使行星按照自身的軌道圍繞太陽運轉首先,我們來確定地球的質量。