如何直观地说明引力波是什么？

GR433

如果用专业的言辞来描述引力波，那么可能就是下面这样的：

但说到能够最直观地说明引力波的比喻，我个人认为可以把引力波比喻成“果冻”的“振动”。

时空果冻

引力波就是时空这块大果冻的振动，见下图。

在上图中，我们看到蠕动的不是引力，而是时空，或者形象地说，是时空的网格。这个蠕动的动态传播的那个振动波就是引力波。请特别注意引力与引力波的概念差异。

所以，如果我们把时空视为一块大果冻，那么当果冻被推动而“荡漾”的时候，就是引力波在传递，这个比喻非常形象，你甚至可以自己去买一块大果冻体验一下。

时空的“弹性”

广义相对论已经很直白地把引力的本质视为时空的扭曲，如果也以动态扭曲来看待引力波的话，那么这可以揭示时空的一种特性——弹性。即，时空具有恢复其平直面貌的本性，也就是说，如果你压缩了时空，那么时空就会有“反弹”的倾向。

这非常像我们日常见到的具有弹性的物体，例如乳胶、橡胶、果冻等等。弹性是由于形变储能在压力消失后反向释放储存了能量而产生的现象，弹性的微观状态就是“弹簧”，我们可以把有弹性的物体用微小“弹簧”的集合来模拟。显然时空似乎也可以这样来看。

上图：引力波的传播形式示意，从此示意上我们可以看出引力波是横波（振动方向与传播方向垂直）。那么横波可能出现的情况就是会有极化指向。

在有质量的物体周围，时空都被质量产生的引力所“压迫”，导致了时空整体的扭曲。而当有质量的物体相撞时，两个有质量物体周围扭曲的时空会相互干涉扰动，于是就产生了引力波，并把物体的动能转化为了引力波的能量向外部传播。这就好比在果冻内部嵌入了两颗葡萄——这里要请注意果冻实际上并不是晶体，而更像是流体，它会缓慢地改变形状，这样我们就可以认为葡萄是可以在果冻当中“游动”的，只是非常慢——如果两颗葡萄在果冻内相撞！那么就会导致整个果冻发生“荡漾”（也就是振动）。如果这个果冻非常大，那么这种荡漾的形式一定会以波动的形式向外辐射。

实际上任何流体的情况都和上面果冻类似，包括水在内。水中的机械振动也是以类似的形式辐射的。那么我们用水中的声波（机械振动）来比喻时空中的引力波也是恰当的。水也是有弹性的，只是相对于我们来说，那种弹性比较小。（千万不要认为水不能压缩！那是误解。）

引力波为什么以光速传播

因为引力波是时空本身的振动，这种振动的传播的介质没有质量，因此其传播形式在相对论框架下因不受惯性加速度影响而类似光的传播。现实的观察也证明了这个情况。黑洞合并所发出的光波和引力波是符合光速传播的预测的，这由引力波观测台和光学望远镜的观测结果所证实。

上图：引力波探测观测台如何捕捉引力波的振动——正是利用了引力波的极化特性，两束垂直的激光所经过的时空被引力波拉伸成不同的长度，因而测得的距离有偏差。

为什么电磁波不是这样的？

电磁波的介质并非是我们所知的“时空”，而是“电磁场”。但似乎电磁场与我们的“时空”并没有直接的交互。我个人倾向于认为电磁场实际上是存在于另外的三个维度上的，只是在我们的时空当中表现为所谓的“电磁场”罢了，电磁场似乎几乎只与电磁场“神交”，不改变时空的曲率。所以我们不太能够用机械波来恰当比喻“电磁场”。

总结

引力波与机械波有非常类似的特征，因此我们可以把引力波比喻为在时空中传播的一种“机械”振动。简单而直观。

小宇堂

回答——可从两个方面直观说明：引力波到底是什么的扰动？a、它是引力场的扰动；b、它也是空间的扰动。

——接下来，是详细说明——

• 对于引力波中的引力，只需关注红色的那个分力（图1中的1、2、3部分说明）。
  

• 在两个黑洞前面一块区域内，引力中这个分力的分布情况由图1中的3、4、5部分说明。
• 根据爱因斯坦的广义相对论，在这块空间区域内，引力对应的空间弯曲由图2说明。弯曲的具体方式是：在两个相互垂直的方向上，空间的实际真实长度，分别变长和变短了。
• 当两个黑洞开始旋转后，这些红色的引力部分，以及空间真实长度的这种改变，就会不断传播出去。图3说明。

这些传播着的引力部分，就形成了引力场的扰动

而空间真实长度这种改变的传播过程，就形成空间的扰动

它们就是引力波

详细说明可@川山洞主，查看视频第31集，里面有全面的介绍

——完，我是@川山洞主，欢迎关注，2018.12.10

川山洞主

引力波是看不见的，但在想象中就像水波浪一样，被比喻为时空涟漪。引力波一般是超大质量星体爆发、碰撞、合并等事件导致的扭曲时空，导致引力波从引力愿一圈一圈以光速向外扩散。自从1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在，经过许多科学家几十年持续不断地努力，才发现了引力波的真实踪迹，这是物理和天文学的一个里程碑，开启了物理学与天文学观测的全新纪元。

引力波最早的发现是在上世纪九十年代末，美国麻省大学的物理学家泰勒和他的团队经过30多年的持续观测，终于得到了引力波的间接证据，由此获得了1998年诺贝尔物理学奖。2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号 。

2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。这次的意义比起前几次发现的关键词在于”直接“和”看到“，如果说过去的探测只是感觉到引力波的存在的话，这次是切切实实的”直接看到“了。因此引力波的发现是从”间接“到”直接“再到”看见“的，是一个科学在不断发现中前行的典型案例。

引力波的微弱和难以”看到“到底有多难呢？我们来形容一下：GW150914的黑洞合并事件，在最后的剧烈合并阶段所形成的引力波，穿过13亿光年之后到达地球的时空涟漪，也仅仅将LIGO的探测装置4公里长臂，改变了一个质子直径的万分之一。这种改变相当于太阳到地球距离偏移了1根头发丝。

引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，它的发现证实了爱因斯坦的重大预测，标志着引力波天文学领域的开始，而三位美国科学家也于2017年10月再次因为引力波的发现毫无争议地获得了诺贝尔物理学奖。由此可见引力波在世界科学界的重要地位。

引力波虽然很微小，但已经证实确有其事，人们对宇宙的了解多了一个重要途径。如果把宇宙比喻为一个比较大的池塘的话，过去人们了解池塘远方有没有大鱼，主要靠看，即使用望远镜也还是看，后来又有了声纳，但这些观察方法总会被中途的一些物体或水深干扰影响。好了，现在我们可以检测到鱼搅起的波浪，而且能分辨出哪里来的波浪，这个波浪不受物体和水深的影响和干扰，这样就可以更好的探测到这条鱼或者这群鱼有多大多少了。

过去天文观测主要靠光学望远镜和射电望远镜来研究天体，一些来自遥远的天体信息会因为路途星云物质的阻挡和各种干扰，使观测受到影响。而引力波是不受物体阻挡独立存在的一种传播媒介，这种特性使人类能够不受干扰和阻挡的了解到更遥远更多的宇宙信息，甚至有可能了解到奇点大爆炸初期的信息，这对于揭示宇宙奥秘有着非常重大的意义。所以，作为一项重大的基础研究，一些科技大国都在这个领域投入大力气，中国也正努力争取在这个领域发挥重要作用。

时空通讯

在广义相对论中，质量扭曲时空产生引力，我们生活在四维的宇宙中，假设把四维的宇宙想象成二维的平面，或者想象成一个弹性床垫，将一个铁球放进床垫上，会产生凹陷，铁球附近的物质有着向凹陷处掉落的趋势，这就是引力。

我们把铁球猛的拿走，弹性床垫会迅速回弹，并振动一会儿，再比如在水中，用手指轻触一下水面，会发现水波纹向四周蔓延，引力波可以形象的看成是这样。无论是弹性床垫还是水面，那都只是压力发生了变化，而引力波是咋回事呢，它是空间中质量分布的变化造成的时空曲率变化以波的形式向四周传播，但还要满足条件，如果是保持静止或者做匀速直线运动，不会产生引力波，必须要质量分布发生变化才可以，另外，球对称质量分布变化不会产生引力波。

（双星系统相互绕转可以产生引力波）

所以在太空中常见的质量分布均匀的恒星自转不会产生引力波，单纯的恒星体积变大朝向红巨星发展不会产生引力波，造父变星周期性收缩不会产生引力波。

对此你们有什么看法呢？欢迎在下方留言探讨。我是科幻船坞，感谢大家的阅读与关注

科学船坞

引力波的根源究竟是什么，主流科学家的说法还只是一个猜测。为什么有引力场、引力波、引力子、虚粒子、暗物质、暗能量、量子纠缠等诸多扑朔迷离，无法从物理机制上释然呢？

有一点可以肯定，引力波绝不是来自什么时空弯曲，至少爱因斯坦的猜测违背万有引力定律，也不是什么大质量天体的异动，因为即便微小的费米子，诸如中微子、电子、质子，都有万有引力，都会辐射引力波。基本估计是：广义相对论不是一个好的理论。

因此，目前尚无引力波的精准定义。不少非主流科学家与民科人士，对引力波有比较清醒的认识。我推荐这样比较科学的定义：

引力波的全称是万有引力波，是电子与核子内秉的光速自旋震荡推压空间真空介质的涟漪。电子在原子总质量的占比极小，因此引力波的主要来源是核子（质子与中子）的自旋震荡。

宏观物系，诸如分子、尘埃、石子、砝码、卫星、小行星、地球、太阳、脉冲星、中子星、黑洞、星系、星系团，其万有引力的大小取决于核子的数量。

核子辐射的引力Fn，公式：Fn=hcαk/(πR²)，其中，h是普朗克常数，c是真空光速，α是原子的精密结构系数，R是核子外空间引力场半径。k是涟子质量(m0)对核子质量(m')的占比系数：k=m0/m'，m0=1.26e-39kg，m'=1.66e-27kg。涟子就是引力子。

其它粒子或天体的引力，是若干核子引力的叠加，设叠加系数为n=物系质量/核子质量，即n=m/m'。万有引力通式是：F=nhcα/(πR²)，R是物系引力场半径。

引力子是什么呢？就是真空介质的1个涟漪，简称涟子，也叫虚粒子(virtual particle)、轴子(axion)、空间基本单元(spatial basal unit)。引力子与万有引力、引力波、引力场、真空介质物质波、暗物质、暗能量、虚粒子有一一对应的经典动力学关系，与广义相对论没有毛线关系。

爱因斯坦那个引力场方程，纯属数学臆想，留给大家的只能是然并卵。能和非主流科学家基于牛顿动力学的简明扼要的公式pk么？

那么，如何看待去年的LIGO引力波探测数据呢？我分析：双子星碰撞前的引力波频率只有极其微弱的50Hz，与极弱的脑电波频率30Hz差不多，碰撞合并后的频率是500Hz，依然极弱。

而宇宙微波背景辐射的波长λ0约7.35cm，近似为引力子的波长。其频率f0=c/λ0=3e8/7.35e-2=4e9Hz，即40亿Hz。由此可见，双子碰并测试引力波的超低频，是典型的熵增红移现象。

物理新视野

牛顿提出了万有引力，大家都知道。

牛顿觉得两个物体之间有一种力相互作用，就是万有引力，牛顿又进一步算出来，这个万有引力和两个物体的质量成正比，和距离的平方成反比。

但是牛顿说不清楚引力是咋形成的。

于是这个问题就一直悬着，直到爱因斯坦把这个问题解决了。

爱因斯坦认为引力是什么呢？爱因斯坦的广义相对论认为，有质量的物体，会让它周围的时空扭曲，质量越大，时空扭曲的就越严重。

举个不太恰当的例子，如果把时空比作床垫子，胖子坐上去，床垫子扭曲的就严重些。

大概这个意思。

那引力是什么呢？还举胖子坐在床上的例子，如果这个时候在床上放一个小球，由于床垫子扭曲了，那么小球就会往胖子那边轱辘过去。

引力，大概就是这个意思，就是扭曲时空的作用。

那么引力波是啥呢?

我们来做一个头脑实验：

地球距离太阳大概有八光分，也就是光走八分钟的举例那么长。那么我们假设，如果太阳瞬间消失了，那么，太阳对地球的引力会在同时瞬间消失吗？

牛顿觉得会，因为他觉得引力是物体间的相互作用，如果失去了相互作用，引力就失去了存在基础了，肯定消失啊。

但是爱因斯坦觉得不对。因为根据狭义相对论，不管什么东东，运动速度都不能超过光速，我们知道太阳举例地球有大约八光分，也就是说光走八分钟的长度。那么按照狭义相对论，即使引力不可能瞬间消失，因为一个物体对另一个物体的作用，不可能超过光速，也就是说，如果太阳消失，地球也要在八分钟之后才能感觉到。

恩，引力的扩散也是有速度的。

爱因斯坦就把不断扩散的引力，称为引力波。

可喜的是，在2015年，人类已经探测到了引力波，证明爱因斯坦是对的。

这个解释，够直观吧？

延伸阅读：

知更图书馆

一个世纪前，爱因斯坦对于时间和空间的洞见，彻底改变了我们对宇宙的认知。他对引力波、时空弯曲、时间膨胀和黑洞的预测令人兴奋。

爱因斯坦认为，质量在四维时空中施加了影响。在大质量物体（如太阳或黑洞）影响下时空会发生弯曲。著名的引力场方程用数学语言的表达是，等号左边部分揭示了时空弯曲，右边部分描述了物质的分布。物理学家惠勒（John Archibald Wheeler）解释为：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。而引力波就是时空弯曲的传递现象。

一、引力波是如何被提出来的？

爱因斯坦设想，引力源自空间弯曲。当受到引力作用的物体改变自己的形状时，它们会在空间中激起涟漪。当这些涟漪经过地球时，我们的局部空间就会随之发生波状“抖动”：被拉伸或挤压。但这种效应非常微弱，原因是引力是一个弱作用力。

日常生活中的引力拉伸程度很微小，如果我们看到两辆汽车相向擦肩而过，也会发射出引力波，但仅具有无穷小的能量。即使是地球绕太阳的运动，或者是两个恒星的相互绕转，它们所发出的引力波都达不到可探测的水平。

1916年6月，爱因斯坦向柏林普鲁士皇家科学院（Prussian Academy of Sciences）提交了一篇里程碑式的论文《引力场方程的近似积分》，是科学史上第一篇预言引力波的著作。

爱因斯坦理论认为，引力波波源的不同就会有不同的频率和振幅。例如两个非常靠近彼此绕转的黑洞，每秒完成100圈，它们发出的引力波频率是200Hz。对于远离黑洞的观察者而言，每秒有200个波峰经过。由于引力波以光速传递，对应的波长就是1500公里。
引力波的振幅是它强度的量度，是时空被拉伸和压缩的程度。振幅大小与观察者至双黑洞的距离成反比，与黑洞的质量和相互绕转的加速度成正比。如果两个黑洞螺旋式相互靠近，引力波的振幅和频率会同时增大。

当时许多科学家并不关注，认为引力波即使存在也微弱到难以探测。天文学家爱丁顿（Arthur Eddington）认为，引力波只是广义相对论的一个数学上的奇异解，不具有物理意义。

1955年爱因斯坦去世后不久，学界的观点开始有了转变，特别是理论物理学家皮拉尼（Felix Pirani）等人证明引力波携带能量之后。引力波从此进入真实物理现象的范畴，余下的问题便是“捕捉”它们。

应当说明，引力波是“空间密度”涟漪的三维传播，即在空间所有方向上传播，只不过在某个方向上可能比其它方向更强。任何天体对引力波的传递都是透明无阻碍的。

将引力波形象化的直观方法是：引力波的空间密度涟漪，与穿过一块轻轻抖动的果冻极为相似，这里果冻代表空白空间。

二、引力波又如何被探测和证实？

2016年2月11日，美国引力波天文台在华盛顿特区的新闻发布会上宣布，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）探测器“捕捉”到了引力波。该引力波来自距我们13亿光年的两个黑洞的碰撞，并被命名为GW150914。LIGO是加州理工学院理论物理教授索恩（Kip Thorne）和他的同事物理学家韦斯（Rainer Weiss）、德雷佛（Ronald Drever）的智慧结晶。

LIGO项目有两台大约相距3000公里远的相似的探测器，一台在华盛顿州的Hanford，另一台位于路易斯安那州的Livingston。它们有极高的灵敏度，时间的测量精度为10^-18秒。
被LIGO探测到的首个引力波信号，来自遥远的双黑洞事件。这列波在太空以光速前行，大约在10万年前闯入我们的星系，一边在银河系中朝地球而来，一边向恒星和行星发射微小的信号。

2015年9月14日，世界时间09:50:45，首个引力波到达地球，在不到1秒的时间里，地球被这列时空涟漪拉伸和压缩了10^21分之一，大小只有一个质子直径的万分之一。地球上的一切也随之伸展和收缩。LIGO探测器记录下了这次微小的振动。很快，一切又恢复平静。引力波继续向更远处前行，1.3秒后它经过了月球轨道，几小时内它就离开太阳系，继续扭曲着它前行途中的一切。

这个名叫GW150914的引力波振幅与时间关系图显示，其信号的真实测量值与基于质量分别为36个和29个太阳质量的双黑洞合并的理论“预测”值几乎完美吻合。这听起来像魔法，但却是严谨的科学。
LlGO组织解释说，随着双黑洞的靠近，相互绕转速度加快，强大的加速度使引力波振幅增大，轨道周期变短意味着频率变高。最终两个黑洞以极高速度瞬间合并为一个更大的黑洞，大约为太阳质量的62倍，其余3倍太阳质量被转化为时空曲率的能量（E=mc^2），以巨大的引力暴的形式被发射出去。

黑洞使得周围时空弯曲，时空曲率代表了一定的能量。按广义相对论，能量等价于质量，因此能量产生了额外的弯曲。

此后，又有多个引力波被记录下来。例如，第二个引力波信号GW151226，其波形与两个分别为14.2倍和7.5倍太阳质量的黑洞合并的预期理论波形契合，它源自距地球14亿光年之遥的双黑洞合并事件。
今天，新一代更强大的引力波探测器aLIGO已经在测试运行中。以“室女座星系团”命名的意大利Virgo探测器已加入了LIGO-Virgo联合系统。

欧航局的LISA开路者号已发射升空，计划在太空探测引力波，它更像是LIGO的空间版本。日本国立天文台的KAGRA神冈引力波探测器在今年与LIGO-Virgo合作探索，欧洲万有引力天文台的GEO600也已加入其中。印度的“LIGO-印度”探测器计划在2024年投入运行。
中国科学院也制订了名为“空间太极”的空基探测计划，将在2030年前后发射引力波卫星组，拟进行太空引力波直接探测。这标志着我国的天文学研究达到了新的高度。

（谢谢阅读）

看松读画轩

依稀记得很多年前一档综艺节目上，一位来自于民间的工人拿出了他多年的“研究成果”，其中就包含对引力波的研究，虽然这只是一些“民科”们的苦思冥想的结果，但是也能一定程度上表明普通人对于高深的物理学的认识诉求。

民科代表

引力波的由来

引力波是由爱因斯坦广义相对论预言而来，广义相对论的预言很多，比如黑洞的存在，引力波的存在等等。爱因斯坦认为空间与时间不能独立开来，而是一个整体——时空。对于大质量的物体，它们会造成其周围的时空出现弯曲，时空弯曲的程度取决于物质的能量密度，动量密度在时空中的分布。

无需介绍

有了时空的弯曲了，爱因斯坦又通过数学计算认为：大质量的物体在加速运动时会造成时空弯曲的变化，使得本来平静的弯曲空间出现涟漪，这种涟漪会以波的形式向外传播，这种向外扩散的涟漪叫做引力波。当然，质量很小的物体加速时也会产生引力波，只不过引力波很微小，根本无法捕捉到。对于引力波会出现的双星系统中，比如双黑洞系统会产生较大的引力波。

时空的涟漪

如何通俗地理解引力波呢？

我们可以发挥想象力，把大质量天体的造成的时空弯曲想象成一个铁球放在一个床单上，此时，铁球在床单上会形成一个凹陷，这时我们可以想象成铁球造成的时空弯曲，如果我们之后放入一个乒乓球，乒乓球会加速的靠近铁球形成的凹陷，似乎并不会造成床单的震动，但是如果我们在放入一个铅球，那么铁球和铅球会加速靠近，造成床单的震动会非常大。我们可以把这个球所产生的机械振动想象成两个天体造成的引力波。

广义相对论预言又一次成真

在两个黑洞形成的天体系统中，由于相互之间时空弯曲的影响，两个黑洞之间会加速靠近，这时候两个黑洞的引力场会发生重合并造成时空“涟漪”。由于黑洞的轨道逐渐靠近，它们的势能会以引力波的形式向外扩散。直到两个黑洞最终发生碰撞形成一个黑洞为止。

总结

引力波的存在已经成功被检测到，引力波也可以用生活中的小实验来模拟它，但是实际的引力波比我们想象的要复杂很多，人类还是对引力波知之甚少，依然有许多未解之谜等待着物理学家们去破解。我们也相信，引力波会是人们探索宇宙的新武器！

时空是可以被弯曲的

徐晓亚然

引力波虽然名字里有一个“波”字，但它其实和水波还是存在区别的，因为水波只在水面上以近似二维的形式传播，而我们宇宙空间却是“三维空间+一维时间”的模式

由于牛顿时期的万有引力定律并没有阐明引力的产生机制，因此爱因斯坦在1916年正式发表的广义相对论中用“质量导致时空扭曲”来作为引力的诞生机制，整个三维空间在广义相对论中就好像一个充满弹性的透明“胶状物”，而天体质量扭曲了“胶状物”的内部，因此产生了引力以及和引力相关的一切。

然而从科普角度来说，用具备长宽高的“透明胶状物”向人们解释引力以及宇宙天体运行是非常困难的，所以“二维图”才是我们了解宇宙的主要方法。

从简单易懂的二维图角度出发，我们可以把宇宙想象成一张无限延伸的弹性薄膜，而薄膜上则是大大小小的天体，这些天体根据质量发不同而在薄膜上压出了不同的凹陷。

现阶段人类对于引力波的了解还仅限于主动探测阶段，虽然包括《三体》在内的众多科幻作品都提到了未来人类的“引力波通讯技术”，但现实中想要人工生成引力波最起码也需要用质量极大的中子简并态物质来完成，而最理想的引力波发射器则是黑洞。

引力作为四大基本作用力中唯一还没有被统一的力，有关于它的一切向来都是物理学家们研究的对象，我们也期待未来有关于引力或者引力波的新发现

宇宙观察

想要了解引力波的起源，我们就得知道引力的本质。目前，这是一个没有答案的问题。我们可以把引力理解为一种能量，而引力波则是引力产生的能量波。因此，如果想让引力产生力量，就需要超大质量的天体。而这些天体的引力都无比的强，比如目前所观测到的引力波种类的源头则是脉冲星、中子星以及黑洞。

以上三种星，它们的共同之处就是引力极强，质量极大并且体积极小。这样，这些天体就会在重力的影响下对时空造成一种坍塌的效应。而由于质量不同，对时空产生的效应也不同。当两颗不同质量的黑洞相遇后，由于黑洞质量不同，造成时空的效应就不同。这时，时空被来回的转换，并且随着黑洞互相产生，这种转换速度会变得越来越快，最终黑洞搅动时空的力量以能量的形式向外扩散，形成引力波。

引力波是极为强大的，它以时空为载体。类似水波和光波，但是区别在于它的穿透性，任何物质都无法阻挡引力波，它可以穿透一切。无论在它面前的是什么东西。哪怕是黑洞，引力波依然可以将其无视，这就是引力波的强大之处。

电影星际穿越后期讲述的就是神秘的引力波。可以通过时空就行传递。而且是不同维度的空间和时间来进行信息的传递。引力波是当之无愧最强大的波。它的穿透性、扩散性成为科学家重点研究的对象，如果人类能解开引力波之谜，那么我们就能解决眼下阻碍人类最难的问题！这就是引力的本质到底是什么？

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