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。