宇宙小毛球动漫，深层解读引力波：它为何会以光速流传？

我们都知道第一第二第三宇宙速度，为何第四宇宙速度很少被提到？

因为人类的航天技术还在起步阶段，连太阳系都没有飞出去，旅行者1号探测器目前也只是出了日球层，还没有摆脱太阳的引力。太阳系的半径至少有1光年，凭人类目前的技术，飞出太阳系都需要上万年。第一、第二、第三宇宙速度仅适用于太阳系

　　时空中的波纹就是引力波，它们以光速在空间中向各个偏向流传。虽然爱因斯坦的广义相对论方程式中从未泛起过电磁学常数，但引力波无疑是以光速运动的。 　　形貌整个宇宙需要两类基本理论。一方面，有量子场论，它形貌了电磁力和核力，并注释了宇宙中所有的粒子以及控制它们的量子相互作用。另一方面，广义相对论，它注释了物质/能量和空间/时间之间的关系，并形貌了我们所履历的引力。在广义相对论的靠山下，泛起了一种新的辐射类型：引力波。然而，只管这些引力波与光无关，但它们必须以光速流传。这是为什么呢？ 　　我们知道电磁辐射的速率可以由真空中的麦克斯韦方程推导出来，这是个很深奥的问题。让我们深入领会细节。
　　可以写出林林总总的方程，好比麦克斯韦方程，来形貌宇宙的某个方面。我们可以用多种方式把它们写下来，由于它们有微分形式(左)和积分形式(右)。只有将他们的展望与物理考察举行对照，我们才气得出关于其有用性的任何结论。 　　乍一看，麦克斯韦方程组并纷歧定能展望光速辐射的存在。这些方程清楚地告诉我们有关的行为： 　　静止的电荷， 　　运动中的电荷(电流)， 　　静电(稳定的)电场和磁场， 　　以及这些电场和电荷若何相互移动、加速和转变。 　　现在，仅仅行使电磁学定律，我们就可以确立一个物理上相关的系统：一个低质量的带负电荷的粒子绕着一个带正电荷的高质量粒子旋转。这是卢瑟福原子的最初模子，伴随着一场伟大的生计危急。当负电荷穿过空间时，它会履历一个不停转变的电场，并因此而加速。然则当带电粒子加速时，它必须将能量辐射出去，而唯一的方式就是通过电磁辐射。
　　在原子的卢瑟福模子中，电子绕带正电荷的原子核运动，但会发出电磁辐射，并看到轨道衰变。这需要量子力学的生长，以及玻尔模子的改善，才气明白这个显著的悖论。 　　在经典电动力学的框架内，这有两个效应是可以盘算的。第一个效应是负电荷会螺旋进入原子核，就好像你在放射能量，你必须从某个地方获得能量，唯一能获得能量的地方就是运动中的粒子的动能。若是你失去了动能，你不可避免地会向中央旋转，吸引物体。 　　你能盘算出的第二个效应是发射辐射发生了什么。麦克斯韦方程组中有两个自然常数： 　　ε0，自由空间的介电常数，这是基本常数形貌两个电荷之间的电力在真空中。 　　μ0，自由空间的渗透性，可以以为是常数，它界说了两个平行生产的磁力举行电线在真空恒流贯串而过。 　　当你盘算电磁辐射发生的属性，它显示得像一个波的流传速率即是(ε0μ0)1/2,这正好即是光速。
　　相对论性电子和正电子可以加速到异常高的速率，但会以足够高的能量发射同步辐射(蓝色)，阻止它们运动得更快。这种同步加速器辐射是卢瑟福多年前展望的辐射的相对论类比，若是你用引力场和电荷来取代电磁场和电荷，它就有一个引力类比。 　　在电磁学中，纵然细节很容易算出来，整体效果也很直观。履历外部电磁场转变的移动电荷会发出辐射，这种辐射既能带走能量，又能以特定的流传速率移动：光速。这是一个经典的效应，可以在完全不涉及量子物理的情形下推导出来。 　　现在，广义相对论也是一个经典的引力理论，完全没有涉及量子效应。事实上，我们可以想象一个异常类似于我们在电磁学中确立的系统：一个运动中的质量，绕着另一个质量旋转。运动的物体会履历一个不停转变的外部引力场。它将履历空间曲率的转变，这导致它发射辐射，带走能量。这就是引力波的观点起源。
　　对于电磁学中的辐射反映，也许没有比引力理论中围绕太阳运行的行星更好的类比了。太阳是最大的质量源，因此使空间弯曲。当一颗伟大的行星穿过这个空间时，它会加速，这就意味着它必须释放某种辐射来保留能量：引力波。 　　但为什么——作为一个将倾向于问——这些引力波以光速旅行吗？为什么重力的速率，你可以想象它可以取任何值，必须与光速完全相等？也许最主要的是，但我们怎么知道？ 　　想象一下，若是突然使出最终宇宙邪术，让太阳消逝，会发生什么。若是这样你就不会看到天空变暗8分20秒，这是光从太阳到地球约莫1.5亿公里所需要的时间。但万有引力纷歧定是相同的。正如牛顿的理论所展望的那样，引力有可能是一种瞬时征象，宇宙中所有有质量的物体都能同时感受到，跨越众多的宇宙距离。
　　一个关于行星若何围绕太阳运行的准确模子，然后太阳以差别的运动偏向穿过星系。若是太阳完全消逝，牛顿的理论展望它们将立刻以直线航行，而爱因斯坦的理论展望内行星的轨道运行时间将比外行星短。 　　在这种假设情形下会发生什么？若是太阳在某一特定时刻以某种方式消逝，地球会立刻以直线航行吗？或者地球会继续在椭圆轨道上运动8分20秒，直到以光速流传的不停转变的引力信号到达地球时才偏离轨道？ 　　若是你问广义相对论，谜底更靠近后者，由于不是质量决议引力，而是空间的曲率，它是由空间中所有物质和能量之和决议的。若是你把太阳拿走，空间就会从弯曲酿成平展，但只是在太阳物理位置上。这种转变的影响会向外辐射，发生异常大的涟漪。引力波——像三维池塘里的涟漪一样在宇宙中流传。
　　无论是通过介质照样在真空中，每一个流传的波纹都有一个流传速率。在任何情形下，流传速率都不是无限的，理论上，重力波流传的速率应该与宇宙中的最大速率相同:光速。 　　在相对论的靠山下，无论是狭义相对论(在平展空间中)照样广义相对论(在任何广义空间中)，

科学家如何测量天体间遥远的距离？基本原理就在你我身边！

科学界发布宇宙天体距离我们多少多少光年，这个距离靠谱吗？这个问题既然是网友质疑的一个热门问题，就再来讨论一下。古代人们对大自然的认识还是懵懵懂懂的，以为是神仙在云彩里主导着人间万物，神人鬼三界分享着这个世界。

任何运动的速率都是由同样的器械决议的：它的能量、动量和静止质量。引力波，像任何形式的辐射一样，有零静止质量，但有有限的能量和动量，这意味着它们没有选择：它们必须始终以光速运动。 　　这有一些有趣的效果。 　　任何惯性(非加速)参考系中的考察者都市看到引力波以光速运动。 　　差别的考察者会看到引力波的红移和蓝移，这是由于所有的影响——好比源/考察者的运动，引力波的红移/蓝移，以及宇宙的膨胀——电磁波也会履历这些影响。 　　因此，地球的引力不是被现在的太阳所吸引，而是被8分20秒之前的太阳所吸引。 　　空间和时间与光速有关这一简朴的事实意味着所有这些表述都必须是准确的。
　　当一个质量绕另一个质量运行时，就会发出引力辐射，这意味着在足够长的时间尺度内，轨道会衰减。在第一个黑洞蒸发之前，假设之前没有其他物质喷射过地球，地球就会螺旋上升进入太阳的任何剩余部门。地球被吸引到约莫8分钟前太阳所在的位置，而不是今天的位置。 　　最后这句话，关于地球在8分20秒之前被太阳吸引的说法，是牛顿的引力理论和爱因斯坦的广义相对论之间真正革命性的区别。它之以是具有革命性，是由于一个简朴的事实：若是引力只是以光速将行星吸引到太阳之前的位置，那么行星的展望位置将与它们现实观察到的位置严重不匹配。 　　牛顿定律要求瞬间的重力速率到达云云准确的水平，若是这是唯一的约束条件，那么重力的速率一定比光速快200亿倍，认识到这一点真是太妙了!但在广义相对论中，另有另一个效应:绕太阳运行的行星在运动。当一颗行星运动时，你可以把它想象成一个引力脉动，从它上升到下降的差别位置。
　　当一个物体穿过一个弯曲的空间时，由于它所处的弯曲空间，它会履历一个加速率。当它穿过空间曲率不停转变的区域时，它的速率也会发生分外的影响。这两种效应连系起来，与牛顿引力的展望效果略有差别。 　　在广义相对论中，与牛顿引力相反，有两个主要的区别。固然，任何两个物体都市对另一个物体施加引力，通过弯曲空间或施加一个长程力。然则在广义相对论中，这两个分外的部门在起作用:每个物体的速率影响它若何体验重力，在引力场中发生的转变也是云云。 　　有限的重力速率会引起引力场的转变，这与牛顿的展望截然差别，与速率相关的相互作用的影响也是云云。令人惊讶的是，这两个效应险些完全抵消。正是这种对消的细小不准确性，让我们得以首次测试牛顿的“无限速率”或爱因斯坦的“重力速率即是光速”模子是否相符我们宇宙的物理学。 　　为了测试重力的速率是多少，通过观察，我们需要一个空间曲率很大，引力场很强，加速率很大的系统。理想情形下，我们会选择一个大的、质量大的物体在一个不停转变的引力场中以一个不停转变的速率运动的系统。换句话说，我们想要一个系统，在一个很小的空间区域里，有一对慎密的轨道运行的，可观察的，高质量的物体。 　　自然与此相配合，由于双星中子星和双星黑洞系统都存在。事实上，任何有中子星的系统都有能力被异常准确地丈量，若是发生了一件意外的事情:若是我们的视角与中子星极点发出的辐射完全一致。若是这种辐射的路径与我们相交，我们可以在中子星每次旋转时考察到一个脉冲。
　　双星脉冲星的轨道衰减率与重力和双星系统的轨道参数高度相关。我们行使双星脉冲星的数据将重力的速率限制在光速的99.8%以内，并在LIGO和Virgo探测到引力波之前的几十年就推断出引力波的存在。然而，直接探测引力波是科学历程的一个主要部门，若是没有它，引力波的存在仍然是有疑问的。 　　作为中子星的轨道，脉冲星携带着大量关于这两种身分的质量和轨道周期的信息。若是你在一个双星系统中考察这个脉冲星很长一段时间，由于它是一个异常规则的脉冲发射器，你应该能够探测到轨道是否在衰变。若是是，你甚至可以提取出辐射的丈量值:它流传的速率有多快? 　　爱因斯坦的引力理论的展望对光速异常敏感，以至于甚至从第一脉冲双星系统在1980年代发现，我们有约束重力的速率即是光速的丈量误差只有0.2% !
　　类星体QSO J0842+1835，其路径在2002年被木星引力改变，间接证实了重力的速率即是光速。 　　固然，这是一个间接的丈量。我们在2002年举行了第二类间接丈量，一次有时的巧合使地球、木星和一个异常强的射电类星体(QSO J0842+1835)沿着统一条视线排列。当木星在地球和类星体之间移动时，木星的引力弯曲允许我们间接地丈量重力的速率。 　　效果是确定的：他们绝对排除了引力效应流传的无限速率。仅通过这些观察，科学家们就确定了重力的速率在2.55×108 m/s和3.81×108 m/s之间，完全相符爱因斯坦299,792,458 m/s的展望。
　　两颗合并中子星的艺术家插图。波浪形的时空网格示意碰撞发生的引力波，而窄光束则是在引力波(天文学家探测到的伽马射线发作)几秒钟后射出的伽马射线束。引力波和辐射必须以相同的速率流传，准确到15位有用数字。 　　然则，引力的速率即是光速的最有力证据来自2017年对一颗千诺娃星的观察:两颗中子星的吸气和合并。一个壮观的多信使天文学的例子，引力波信号首先到达，记录在LIGO和室女座探测器。然后，1.7秒后，第一个电磁(光)信号到达了：来自爆炸灾难的高能伽马射线。 　　由于这个事宜发生在1.3亿光年之外，重力和光的信号到达时的时间差小于2秒，以是我们可以限制重力与光速之间可能的偏离。我们现在知道，凭据这个，它们的差值小于10^15分之1，或者说小于光速的1 千万亿分之一。
　　长时间以来被以为是由中子星合并而来的快速伽马暴。它们周围富含气体的环境可以延迟信号的到达，这注释了观察到的重力信号和电磁信号到达之间的1.7秒差异。 　　固然，我们以为这两个速率是完全相同的。只要引力波和光子都没有静止质量，重力的速率就应该即是光速。这1.7秒的延迟很可能是由于引力波在不受扰动的情形下穿过物质，而光在电磁作用下发生相互作用，当它穿过空间介质时，极有可能使它的速率减慢一点点。 　　重力的速率确实即是光速，只管我们不是用同样的方式推导出来的。麦克斯韦把电和磁这两种以前自力而又截然差别的征象连系在一起，而爱因斯坦只是把狭义相对论的理论扩展到一样平常的所有宇宙时间。虽然引力速率即是光速的理论念头从一最先就存在，但只有通过考察证实，我们才气确定。引力波确实是以光速流传的。