为什么人类证实了引力波的存在却依然相信光速不变原理?

韩雨虹


答:引力波的存在,与光速不变原理并不矛盾,两者反而是有着内在的联系。


就在去年(2017年),我们见证了一次划时代的天文学事件——双中子星合并。




与双黑洞的合并事件不同,双中子星合并之前,发出的光线会逃离出来,然后被地球的望远镜观测到,合并瞬间产生的超强引力波,会被地球的引力波探测器发现。


然后我们根据望远镜的观测数据,与引力波探测器的数据进行对比,就可以得到引力波的传播速度;爱因斯坦在五十年前就预言,引力波的传播速度是光速,此次合并事件也证实了这点。



我们知道,广义相对论是狭义相对论的推广(广义相对论中空间曲率为零的情况,既是狭义相对论),光速不变原理作为相对论的前提假设,已被众多实验所证实。

同样,引力波由广义相对论描述,可以说引力波的存在和光速不变原理存在密不可分的联系。


所以,引力波的存在,实际上是间接证实了“光速不变原理”,而不是否定“光速不变原理”。



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为什么要不相信呢?光在真空中传播速度不变是时空特性所决定的,现在光速作为一个常数,其值已经确定下来了,以后即使测量精度再提高,也不会改变这个值:299792458 m/s

这里面m是空间长度,s是时间长度,光速就是两者的比值。而根据广义相对论我们知道,有质量物体弯曲周围时空导致空间距离与时间距离的变化,但这个变化是同步的,也就是弯曲空间的同时也会弯曲时间,因此时间和空间的比值始终不变。所以光速始终不会变。

而在引力波的测量中,使用两条互相垂直的真空管道,当引力波经过时,由于它经过两个光路时存在时间差和角度差,因此它所带来的时空形变会使两个光路上的激光产生光行差,原本在管道上往返的激光本来是被调试到波峰波谷正好抵消的,但当光行差导致它们不再能抵消就会产生一些变化并被记录下来。这是时空本身因大质量物体扰动所产生的几何变化,前面已经说过,与光速不变不冲突。

另外,去年十月份发布的双中子星碰撞的观测结果显示,1.3亿光年外的碰撞引力波与电磁波几乎是同时到达地球的,算上引力波与伽马短暴本身形成的时间差,可以说两者就是同时到达地球的!这就证实了引力波是光速传播,这正正符合广义相对论的预言,同时也再次印证光速与时空结构的关系。




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