引力波是什么,它的速度有多快,能超光速吗?

引力波是什么,它的速度有多快,能超光速吗?
2020年01月19日 15:17 新浪网 作者 天文在线

爱因斯坦的广义相对论中最令人惊异的一个预言是:不仅存在着物质、辐射和其他呈粒子形式的能量,而且也存在着引力辐射或者说是时空结构中的基本“涟漪”。这是最难理解的事物之一,帕特伦的支持者罗伯特·汉森想知道更多关于:

引力波是以光速传播的微小的时空扰动。然而,时空可以比光速更快的扩张和收缩。压缩波的定义是紧跟在收缩后的扩张所产生的波。这似乎产生了一个悖论:引力波以光速传播,但似乎有一种理解它们是超光速的,如何解释这一明显的悖论?

首先,让我们从这种辐射(及其产生方式)本身的概念开始。

图片来源:美国国家航空航天局和哈勃遗产团队(空间望远镜研究所 / 大学天文研究联合组织),是来自M87星系的由带电粒子加速产生的相对论射流。

在电磁理论中——甚至在经典电磁理论中——产生电磁辐射只需要两个条件:一个是带电粒子、一个是其穿过的磁场。该粒子可以带正电(如质子),也可以带负电(如电子),如果它通过磁场,则磁场将会加速此粒子,从而使其沿圆形或螺旋形的路径运动。

磁场越强,粒子初速度越大,荷质比越大,则粒子的加速度(或运动的变化)越大。

图片来源:欧南台/左. 卡萨达,一颗脉冲星绕着其双星同伴运行,在时空中产生了引力波(或引力涟漪)

但是像这样的相互作用,既需要保持能量,又需要保持动量。而在作用过程中,只要电荷因外部磁场加速,那么它就一定会发出辐射,电磁学正是以这样的方式发挥作用。这种(电磁形式的)辐射以光子的形式出现,根据其产生方式的不同,可以分为为阻尼、回旋加速器或同步加速器辐射。

在牛顿经典物理学中,没有中立辐射之类的东西,但是爱因斯坦的广义相对论改变了这一切。巨大的辐射源——像粒子之类的东西——类似于引力电荷,然而空间的弯曲结构本身就类似于引力场。在恒星,白矮星,中子星或黑洞存在的情况下,每当大质量的粒子通过弯曲的空间时,该空间可能会严重弯曲,它将发出类似电磁辐射的东西:引力辐射。

图片来源:托德·斯特罗迈耶(戈达德宇宙飞行中心),通缩公链体系,美国国家航空航天局——插图:丹娜·贝里(通缩公链体系)。

这种新的辐射形式既不是光子也不是任何其他形式的微粒辐射,而是在空间结构本身形成的涟漪:引力波。 对于像地球这样质量的绕太阳运行的行星来说,其产生引力辐射,小到需要大约10 ^ 140宇宙年才能明显地改变轨道,所以我们永远都不会看到它。 但是对于质量更大、距离更近而且场更强的系统,作用的结果则会更加巨大:诸如脉冲星双星系统、绕着我们银河系中心的超大质量黑洞或者甚至正在合并的黑洞系统。 在这些情况下,可以观察到轨道衰减,而且因为使能量守恒,我们知道某些物质一定会散发出来。

空间中独一无二:当两个中子星开始围绕一个共同的重心旋转时,他们发出了引力波(左)。因为这会导致两个中子星持续地失去一部分轨道能量,他们在螺旋形轨道上互相缓慢靠近,并且环绕周期变短。右图显示了双脉冲星PSR j0737-3039的一些条件。

该“物质”是引力辐射(又称引力波)无疑,并且由于对脉冲星双星系统的观察,我们知道引力辐射的速度必须等于光速,可以精确到0.2%! 换句话说,引力波的涟漪实际上以与光子相同的速度在空间中移动。 二者主要区别在于:在引力辐射的情况下,这些涟漪是空间结构本身所固有的。

由快速绕行的恒星(中子星、白矮星或黑洞)产生的时空涟漪。图片来源:美国国家航空航天局。

那么,回到罗伯特最初的问题,当这些涟漪不是在(近乎)静态空间中产生的,而是在膨胀的宇宙中产生的时候,又会发生什么?答案是:它们会像光子一样被拉伸而且受到宇宙膨胀的影响。

当光子在膨胀的宇宙中传播时,它们的波长随着空间结构的膨胀而拉伸。它们的数量(和能量)密度会稀释,尽管它们总是以光速传播,但发射源和观测接收器之间的距离会改变。例如,大约是138亿年前,就在大爆炸开始时,在膨胀结束后10^-33秒:

今天到达我们这里的光子,在138亿年前离我们只有100米远。

经过138亿光年的旅程穿过膨胀的宇宙,这颗光子将旅行138亿年,并将其波长拉伸大约28个数量级。

今天到达我们这里的光子,其发射地点将会距离我们461亿光年。

听起来很疯狂?好吧,引力波也是同样的!引力波也必须穿过膨胀的宇宙,也必须以光速穿过空间(无论空间是膨胀的、收缩的还是静止的),其波长的拉伸方式与光子的拉伸方式完全相同。引力波“驾驭”空间结构,就像水波“驾驭”水面一样;如果有一块石头掉进河里,涟漪不仅仅是径向向外移动,它们在向外移动的同时也顺流而下。

图片来源:来自罗马尼亚的巴乔,属于c.c.-2.0的通用商标。

空间结构中的引力波有些类似于:涟漪以它们的固有速度(即光速c)在介质中移动,但有时介质本身也会移动。但是这并不意味着引力波的速度超越了光速或者说比光子的速度快,事实上当过了138亿年时,它们仅仅行进了距离其起点460亿光年的路程;引力波的速度的确如人们所设想的那样。请注意,将其类比成压缩后再进行稀疏化实际上是一个非常非常好的形式。传播过来的引力波将以非常特殊的方式拉伸和压缩空间结构(及其中的所有物质/粒子),从而扭曲空间结构。

但是,无论空间结构本身是在:扩展,收缩或保持静止,以光速在宇宙中传播的方式是都最快的。这就是那悖论的解释:无论你如何改变引力波正在穿过的空间结构,它们都以光速行进!

参考资料

1.WJ百科全书

3. forbes- FrozenC

翻译:天文志愿文章组- FrozenC

审核:天文志愿文章组-

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