如何更加形象的理解“引力波”

100年前,當愛因斯坦預測引力波的存在的時候,他不曾想過,有朝一日,人類能夠真正觀測到引力波:這個效應是如此的微弱,無法察覺。

如何更加形象的理解“引力波”

隨處可見的“慣性力”

如何更加形象的理解“引力波”

慣性在我們的身邊幾乎無處不在,舉個例子:如果一個宇航員從高處跳下來,會受到地球引力。如果他在宇宙飛船裡,飛船向“上”加速飛行,他也會因為慣性,向飛船底部墜落。然而,他沒辦法從體會上分辨哪個是重力,哪個是慣性。正因如此,愛因斯坦大膽假設:引力和慣性力是一回事。

如何更加形象的理解“引力波”

我們都知道,“慣性力”其實不是力,而是參考系速度變化時的假想力。慣性力不是力,可以用座標系變換輕鬆搞定。 既然引力等效於慣性力,慣性力不是力,愛因斯坦又大膽得出:引力也不是力。

不是力,那是什麼?

為了便於理解,我們可以這麼認為慣性力和引力是一回事: 這是等效原理的思想,不過注意在講這個的時候一定要加上局域,就是在一點才可以。如果是有尺度的範圍,引力會導致潮汐作用,也就是說引力不同產生引力差,而慣性力不會,這個潮汐力是時空彎曲(內稟曲率)的體現。如果引力和慣性力在什麼情況下都不可區分,就沒法探測引力波了。

如何更加形象的理解“引力波”

根據相對論,物質在不同速度下具有不同的質量,所以在加速運動時,物質的質量會有波動,這樣就能在周圍的空間產生引力波動了。只不過相對論效應在低速低能世界裡造成的影響非常小,所以我們日常根本感受不到。即便是大規模的宇宙活動,到達地球時其波動也很小了。這就是引力波。

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質量導致時空彎曲

如果只存在一個質量物體,靜止地存在於時空之中(或者處於勻速運動狀態),那麼它所處的時空不會發生變化。但如果你加入第二個質量物體,那麼這兩個物體之間就會發生相互運動,互相會向對方施加一個加速度,在這一過程中也就將造成時空結構的改變。更加重要的是,由於存在一個大質量粒子在引力場中運動,廣義相對論指出這一大質量物體將會被加速,並釋放一種特殊的“輻射”:引力輻射。

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科學家探測到的黑洞合併產生的引力波

科學家探測到的黑洞合併產生的引力波,就是由兩個黑洞合併時的巨大質量損失產生的。

廣義相對論的時空裡,越靠近地面,時空變化越厲害(空間扭曲、時間也會變短)。

再比如地球繞太陽公轉,不是受到太陽吸引力做圓周運動,而是沒有受力、做勻速直線運動。因為廣義相對論的時空裡,太陽把地球的時空給掰彎了,地球的世界就是一個圓。

如何更加形象的理解“引力波”

我們的宇宙裡有很多有質量的物體,這時空就像是一個彎彎曲曲的大網。 當有質量的物體運動時、質量變化時,它導致的時空彎曲程度也會變化。近水樓臺,離它最近的時空彎曲程度先變化,然後傳播至整個時空。傳播這個擾動的,就是引力波咯。

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