雙黑洞合併產生時空漣漪,13億年後抵達地球,驗證引力關鍵參數

》引力,這個詞最早提出來是牛頓。

1687年,《自然哲學的數學原理》首次出版,牛頓在第一卷“論物體的運動”裡,就寫下了這個著名的萬有引力公式:​

雙黑洞合併產生時空漣漪,13億年後抵達地球,驗證引力關鍵參數

牛頓萬有引力公式,一直到現在還在用。在一般的應用範圍內,具有極高的計算精度。

》那個時候,認為引力的傳播速度是無限快。在牛頓力學體系裡面,所有力的作用都是超作用,瞬間抵達。

1879年,美國科學家邁克爾遜測出了光的速度。此時,科學界仍然不知道引力的傳播速度是多少。科學家一直用萬有引力公式計算天體的運動軌跡。​

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​根據開普勒定律,行星繞太陽運動是一條橢圓軌道,太陽位於橢圓的焦點。但是實際上,行星繞太陽運動一週,橢圓軌跡不完全重合。其中橢圓的長軸會偏離一個小的角度(當然短軸也會,但是我們一般不講短軸)。這被稱為行星的近日點進動。

進動是由於其他行星相互吸引造成的,也就是所謂的三體問題。進動效應最顯著的是水星,因為水星繞太陽偏心率比較高,觀察效應最顯著。​

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​根據天文觀測,水星的進動值是每100年600角秒。但是根據萬有引力公式計算出來的水星進動值為557角秒,剩下的43角秒無法解釋。

雖然如此,大家也可以看出來,牛頓萬有引力公式計算的精度是相當的高。

》就是這樣的結果,較真的科學家仍然不滿。科學必須有這種較真的精神。

有人就開始懷疑萬有引力公式有問題。美國天文學家紐康,試圖修改萬有引力公式裡的係數。這位老兄折騰了一陣子,把萬有引力公式裡面和距離的二次方成倒數關係,改成和距離的2.11次方成倒數關係。這下計算的結果,當然水星進動是被修正了,但是其他行星的運行軌道嚴重不符合。

數學家黎曼打算用電磁學的理論來修正萬有引力定律,但是也沒有結果。

總之一句話,這些人都沒搞定。​

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》這個時候,神級的科學人物愛因斯坦出現了。

因為萬有引力公式在洛倫茲變換下不能進行協變,所以愛因斯坦認為引力並不是一種力,而是一種效應。

從力學現象變成某種觀察者效應,是對萬有引力本質的描述上,一次重大的突破。

那麼怎麼從效應來考察引力呢?愛因斯坦做了一個代換:引力場的局部替換成做加速運動的慣性系。這被稱為等效原理。​

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》在等效原理的基礎上,愛因斯坦推導出了廣義相對論公式。

根據廣義相對論,引力是物質對時空扭曲的效應。物質讓空間發生了彎曲,因而產生的引力。

廣義相對論發表於1915年。根據廣義相對論,愛因斯坦計算出了水星近日點進動的精確數值,與觀測值完美吻合。

廣義相對論是在等效原理的基礎上推導出來的,即引力場的局部等效於做加速運動的慣性系。​

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慣性系必須遵守狹義相對論,而在狹義相對論裡,光速是極限。可以把廣義相對論,看成狹義相對論在彎曲空間的推廣(在狹義相對論裡面,時空是平直的)。

因此空間彎曲的速度只能以光速為極限,而引力的效應是由於空間彎曲產生的,因此引力的傳播速度只能以光速為極限。

》但是,引力的測速極其困難。因為引力非常微弱,必須依靠極大的質量,才能表現出顯著的宏觀效應。在很長一段時間內,人類都束手無策。

13億年前,宇宙深空處兩個黑洞合併,產生的時空漣漪瞬間發出的功率,相當於可觀測宇宙全部恆星發光功率總和的10倍。​

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這些時空漣漪,經過了13億年漫長的旅途,在2015年9月14號抵達了地球,同時觸發了分別位於美國新澤西州和華盛頓州的激光引力波天文臺。這是人類有史以來第1次探測到引力波,證實了引力波傳播的速度就是光速,因而證明了空間彎曲的速度就是光速。

距離牛頓發表《自然哲學的數學原理》,已經過了整整328年。可以說,對引力速度的測量,是目前為止人類對物理量耗時最漫長的測量。

因為空間彎曲的速度等於光速,一切靠彎曲空間進行的時空旅行,其速度永遠也不可能超光速。所以,即便是有所謂的阿庫別瑞曲率引擎,超光速飛行也是不可能的。​

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在自然界中,唯一被證實的超光速現象是宇宙空間的形成和擴張速度。

光在真空中的傳播速度,是為人類和萬物設定的界限!創世法則除外!


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