关于引力波的一段对话

关于“引力波”的一段对话

饶有兴趣的工科男：你们听说了吗？ 今年2月11日，美国研究人员宣布人类首次探测到了引力波的存在，你们知道这是怎么回事吗？

围观的人文妹子：嗯嗯，我知道，这是美国加州理工学院、麻省理工学院以及激光干涉引力波天文台LIGO的科学家们一起进行的一项科学实验，全球10多个国家、超过1000名科学家都参与了这项实验。

饶有兴趣的工科男：我们国家也有科研人员其中呢，比如清华大学的LSC引力波研究团队和湖北第二师范学院的范锡龙博士，还有一批华裔物理学家如陈雁北等。

表示无压力的物理大神：其实，在去年9月14日，LIGO就已经探测到了引力波。接下来，科学家们又花了几个月的时间进行数据处理，排除各种干扰因素，以确保实验结果准确无误。

饶有兴趣的工科男：你们知道“引力波”是怎么回事吗？

表示无压力的物理大神：这就要从爱因斯坦说起了，1916年，他发表了引力理论—广义相对论。根据广义相对论，引力是时空的一种几何属性—曲率，而时空曲率是与处于时空中的物质的质量及其分布密切相关的，质量越大，曲率就越大。单一的静止质量体就能让时空在其周围产生曲率，也就是让时空发生弯曲。当往时空中加入第二个质量体时，两个质量体就会相互靠近并不断加速，其周围的时空也就不断发生变化，这种变化就以“引力波”的形式向周围传播出去。

围观的人文妹子：你能说得再清楚点吗？

表示无压力的物理大神：我们可以把质量体类比于电荷，我们都知道，静止电荷周围存在着静电场，当电荷加速运动时，其周围的电场就会发生变化，这种变化会以电磁波的形式向四周传播出去。同样，质量体周围存在着时空弯曲，当质量体运动时，这种时空弯曲变化就要向周围传播，我们把这种传播形式称为引力波，就像水波、电磁波一样。但是，只有质量非常大的天体才能发出较容易被人类探测到的引力波，如超新星爆发或两个黑洞的相撞，而这种情况非常罕见。

围观的人文妹子：听说这次探测到的引力波就是两个黑洞合成一个黑洞时辐射出的。

饶有兴趣的工科男：那引力波的传播是不是和电磁波一样，都不需要介质呢？

表示无压力的物理大神：嗯，引力波的传播确实是不需要介质的，但这个与电磁波是不一样的。电磁波传播不需要介质，是说它不需要任何物质作为媒介、可以直接在真空中传播，但引力波本身就是时空产生的波动。这个有点像机械波，不过这时的波源就是运动的质量体，介质则是时空本身了。

围观的人文妹子：既然引力波也是一种波，那这种波的传播速度是多少？它是否具备一般波的物理性质，如，遇到质量体能否发生反射？两束引力波之间是否能产生类似光波的干涉现象呢？

饶有兴趣的工科男：引力波的传播速度与光速是相等的，这次LIGO探测到的引力波的频率是150Hz，波长是2000Km左右，频率乘以波长是在3*10^8左右的，因此可以确定引力波的传播速度就是光速的。

表示无压力的物理大神：其实，引力波是引力子传播的结果，这一点与光子是相似的。如果我们首先发现了引力波并测得了它的速度，我们就不会说引力波的传播速度是光速，而会说光的传播速度是引力波速。关于引力波能否同机械波和电磁波一样发生反射和干涉现象，我也不知道，这个要待科学家们进一步的研究和理论推导，给出描述引力波的方程，就像描述电磁波的麦克斯韦方程组一样。

围观的人文妹子：既然引力波与光有这么多类似的性质，相比生命之初就能用肉眼看到的光，为什么引力波直到今天才被人类探测到呢？

饶有兴趣的工科男：对啊，自从1916年爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在，过了整整一百年人类才真正探测到它，这是为什么呢？

表示无压力的物理大神：我举一个中子星的例子，让我们来计算一下引力波的强度，你就知道为什么引力波如此难以测量了。根据广义相对论，我们能得出下面这个计算引力波强度的公式：引力波强度=（40×万有引力常数×转动惯量×频率的平方×椭率）/（光速的四次方×距离）。

表示无压力的物理大神：中子星，有1.4个太阳质量；转动惯量大约是1e38；我们已知的中子星的转速，最快是每秒钟1000圈，而且中子星不是一个绝对完美的球体，当然如果绝对完美的话，它转起来对时空就不会产生扰动，也不会释放引力波。一般认为它的椭率大概是1e-6。最后我们假设这个中子星距离地球1000光年，也就是1e19米。经过计算，我们得出引力波强度的是0.00000000000000000000001（1e-23）。然而，相比浩瀚宇宙中其他的引力波源，中子星绝对算得上是一个接近完美的波源了。但是，数据仍然告诉我们，即使想看到如此完美的中子星的引力波，我们仍需要在1公里的长度上找到那小于原子核半径一万倍的空间变化。此外，我们还要排除各种干扰因素，这其中就包括比它的强度强得多的电磁波。现在，你们能够理解测量引力波的艰难了吧。

围观的人文妹子：哦哦，原来是这样啊，确实太微小了。

饶有兴趣的工科男：听说LIGO这次测量到的引力波是一个36太阳质量的黑洞和一个29太阳质量的黑洞并合为一个62太阳质量的黑洞时辐射出来的。损失的3个太阳质量的能量以引力波的形式辐射了出来，其亮度比宇宙中所有星光加起来还要亮得多呢。

表示无压力的物理大神：嗯嗯，是这样的。当时空中某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出时，就会形成黑洞。虽然这次引力波源释放出了大量的能量，但辐射源距离地球足有13亿光年，而且引力波和物质的相互作用太弱了。其经过地球时只损失了总能量中很小很小的一部分。

饶有兴趣的工科男：我还很好奇一点，既然引力波能引起时空变化，那变化前后的时空到底有什么不一样呢？时空尺度会不会变长或缩短呢？

围观的人文妹子：嗯嗯，我也想知道时空变化到底是什么量发生了改变？

表示无压力的物理大神：好，假设现在有一根木棒和足够长度、精度的卷尺，它能够测量出木棒因时空变化而引起的长度变化。现测得木棒长度恰好为1m，在引力波引起时空变化之后，假设这一时空变化在一定空间内、一段时间里能维持不变，再次用该卷尺去测量原来的木棒，长度是否还为1m？

围观的人文妹子：我觉得肯定不是，因为木棒所处的时空在引力波作用下发生伸长（暂且取这一变化为伸长），而卷尺又足够精确，故木棒的测量长度应该比原来大一些。

饶有兴趣的工科男：我觉得应该还是1m，当我们使用卷尺去测量木棒时，我们必须把卷尺拿到与木棒同一时空里，而时空变化是发生在一定空间内的，所以卷尺也将与木棒发生相同长度的变化，故测出的木棒长度仍然是1m。

表示无压力的物理大神：那如果原来在木棒的中点处作一标记，在时空变化后，这一标记是否仍在木棒中点处？

饶有兴趣的工科男：我认为，要回答这个问题，首先必须弄清楚引力波引起的时空变化是均匀的，还是线性的，或者遵循某一规律（假设这一规律可用数学表达式去描述），这种规律与引力波的波长或频率之间是否存在着某种确定的关系？

表示无压力的物理大神：如果按照你对于第一个问题的逻辑，那么这个问题的答案就是肯定的，变化之后，标记一定在木棒的中点。理由如下：你要确定标记是否在中点，必须用卷尺去测量，与第一个问题的思路同样，卷尺发生了与木棒相同规律的长度变化，上述你所提及的不均匀变化应该是相对原时空来说的，但是我们无法做到用原时空的“卷尺”来测量现时空的尺度，一旦卷尺进入现时空，它就必然发生与木棒同样规律的变化。因此，不管时空以何种规律变化，卷尺的测量结果只能是：标记仍在木棒的中央。

表示无压力的物理大神：但是，上述逻辑是不适用于引力波引起的时空变化的。第一，引力波所引起的时空变化是瞬时的，不可能被“固定”下来。第二，引力波引起时空变化是引力波与占据该时空的质量体相互作用的结果，其中质量体的质量大小和质量分布都会影响这种时空变化。当你卷尺进入这一时空时，质量体的总质量和质量分布都会发生改变，时空也会再次发生变化，你的测量结果就不是只有木棒处于时空内时发生的变化了。

围观的人文妹子：那时空变化对于时间的影响是怎么样的呢？

表示无压力的物理大神：我们还是继续上述的假设，不过，要把卷尺换成理想精确的秒表。当一束光从木棒的一端到达另一端用时1s，时空变化之后，该束光同样从木棒的一端到达另一端，用时是否仍是1 s？

饶有兴趣的工科男：根据狭义相对论，对于任何惯性参考系，光速都是一样的。所以，变化前后的两个时空中光的速度应该是不变的。那么用时就与木棒长度的变化有关了，如果木棒变长，用时就大于1s ；反之，用时就小于1s。

围观的人文妹子：那也就是说，在时空变化过程中，空间尺度与时间尺度的变化应该是同步而且成比例的，否则，光速就要发生改变了。

表示无压力的物理大神：嗯嗯，是这样的。LIGO的测量原理就是激光在变化时空里的传播时间发生了变化，从而引起相位变化，最后与不经过变化时空的光束发生干涉。

围观的人文妹子：你们觉得引力波的发现对我们未来的生活有什么影响吗？

饶有兴趣的工科男：引力波的发现证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。在此之前，人类只能依靠各种望远镜和电磁接收仪器去观测宇宙，了解宇宙，而通过引力波我们能“听”到宇宙更远处的声音和更早期的声音，从而可以研究宇宙的早期形成以及探明它的发展规律。

表示无压力的物理大神：引力波的发现在物理理论方面具有极其重要的意义，这一点是毋庸置疑的。然而，对于我们的日常生活来说，现在还没有看到引力波具有任何直接的应用价值，但决不能就此断定在以后也没有价值。就像当法拉第发现磁生电的奥秘时，有人问他：“这有什么用呢？”，这位大科学家并没有直接回答，而是反问提问者，“你说一个新出生的婴儿有什么用呢”？

此时，三个人互相对视了一下，会意地一笑，便结束了这次愉快的对话。

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