引力波传播的速度有多快？
图片来源:欧洲南方天文台，围绕双星伴星运行的脉冲星和引力波，爱因斯坦广义相对论最令人惊讶的预言之一，不仅是物质、辐射和其他以粒子为基础的能量形式的存在，而且是引力辐射本身的存在，或时空结构中最基本的“涟漪”的存在。这是最难理解的事情之一，众筹网站的支持者罗伯特想知道更多:
[引力波]是时空的扰动，它以c点运动。然而，时空可以比c点更快地膨胀和收缩，压缩后的膨胀基本上就是压缩波的定义，这似乎产生了一个悖论:引力波在c点传播，但似乎有一种方法可以使它们达到超光速，如何解决这个明显的悖论。
首先，让我们从辐射的概念(以及它是如何产生的)开始。
图片来源:美国国家航空航天局和哈勃传统团队(太空望远镜科学研究院所/大学天文研究协会)，来自M87星系的相对论性喷流，由带电粒子的加速产生。
图片来源:美国国家航空航天局和哈勃遗产团队(太空望远镜科学研究院所/大学天文研究协会)，相对论性喷射来自…(+)
在电磁学中，甚至在经典电磁学中，产生电磁辐射只需要两样东西:电荷和使其穿过的场。电荷可以是正电荷(如质子)，也可以是负电荷(如电子)，如果它穿过磁场，磁场就会加速电荷的运动，使电荷从这里开始沿圆周或螺旋运动。
场越大，速度越大，粒子的电荷质量比越大，加速度(或运动变化)就越大。
但是像这样的相互作用需要保存能量和动量，在电磁学中起作用的方式是，任何时候一个电荷由于外部场的作用而加速，它必须释放出辐射才能做到这一点。这种辐射(在电磁学中)以光子的形式出现，根据它是如何产生的，被称为轫致辐射、回旋辐射或同步辐射。
在牛顿物理学中，不存在引力辐射这种东西，但爱因斯坦的广义相对论改变了这一切。大质量源——比如粒子——与引力电荷类似，而空间的弯曲结构本身与引力场类似。任何时候，一个巨大的粒子在弯曲的空间中移动，在有恒星、白矮星、中子星或黑洞存在的情况下，它可能会严重弯曲，它将发出类似电磁辐射的东西:引力辐射。
图片来源:特德.斯特梅耶 (戈达德太空飞行中心)，CXC,美国国家航空航天局 插图:达娜.贝瑞 (CXC)。
这种新形式的辐射既不是光子，也不是任何其他形式的粒子辐射，而是通过空间结构本身的涟漪:引力波。对于像地球这样绕太阳公转的质量来说，引力辐射是如此之小，以至于需要宇宙的10^140个年龄才能使轨道发生明显的变化;我们将永远看不到它。但是对于质量更大、距离更近、场更强的系统，结果会更严重:像双星脉冲星这样的系统，在我们星系中心的超大质量黑洞轨道上运行的东西，甚至是正在合并的黑洞。在这些情况下，我们可以观察轨道衰变，为了保存能量，我们知道一定有什么东西把它带走了。
图片来源:美国国家航空航天局(左)，马克斯·普朗克射电天文研究所/迈克尔·克雷默。
这个“东西”一定是引力辐射(又称引力波)，由于对双星脉冲星系统的观测，我们知道这个引力辐射的速度一定等于光速，精度只有0.2%!换句话说，这些涟漪确实以光子的速度在空间中移动。主要的区别在于，在引力辐射的情况下，这些涟漪是空间结构本身固有的。
由快速轨道恒星(中子星、白矮星或黑洞)产生的时空涟漪。
图片来源:NASA。由快速轨道恒星(中子星、白矮星或黑洞)产生的时空涟
那么，回到罗伯特最初的问题，当这些涟漪不是在(近似)静态空间中产生，而是在膨胀的宇宙中产生时，会发生什么呢?答案是，它们受到拉伸，受到宇宙膨胀的影响，就像光子受到拉伸，受到宇宙膨胀的影响一样。
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延伸。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，在大爆炸刚开始的时候，大约138亿年前，在通货膨胀结束后10^-33秒:今天到达我们的光子在138亿年前离我们只有100米远。
光子经过了138亿年，在膨胀的宇宙中穿行了138亿光年，它的波长被拉长了大约28个数量级。今天到达我们时，光子发射的位置离我们有461亿光年远。
听起来很疯狂吗?同样的疯狂也发生在引力波上!引力波也必须在膨胀的宇宙中传播，也会以光速在空间中传播(无论空间是在膨胀、收缩还是静止)，而且它的波长会像光子的波长一样被拉长。引力波“驾驭”空间结构，就像水波“驾驭”水面一样;如果你有一块石头掉进了河里，它的波纹不只是呈放射状向外扩散;它们向外移动，被下游的水流带走。
图片来源:Sergiu Bacioiu，来自罗马尼亚，c.c.-2.0通用。
空间结构中的引力涟漪有点像这样:这些涟漪以它们以光速穿过介质移动，但有时介质本身也在移动。这并不意味着它打破了光速，就像光子打破了光速一样，当它们在138亿年之后结束了460亿光年，引力波正在做它们应该做的事情。注意，压缩之后是稀薄的类比实际上是一个非常非常好的类比，一个通过的波将扭曲空间的结构(和所有的物品/粒子)通过拉伸和压缩它们在一个非常特殊的方式。
但是在宇宙中传播的方式是以光速在空间结构本身的上方传播:膨胀、收缩或保持静止。这就是悖论的解决方法:它们在c点运动，不管你怎么处理它们在途中穿过的织物!
作者: Ethan Siegel
FY: 小团子
