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引力波?“引力”是什么你真的懂了吗?

出品:中国科普博览

引力波就像时空结构中的涟漪,如果把空间想象成一块巨大的橡胶膜,那些有质量的物体就会让橡胶膜弯曲,就像我们站在蹦床上时引起床垫变形一样。质量越大,空间被弯曲得越厉害。

比如地球围绕太阳转动的原因就是因为太阳非常重,导致太阳周围空间出现巨大变形,如果试图在巨大的变形周围以直线运动,你会发现其实是在沿着一个圆运动,这就是轨道运转。并没有实际的力拉着行星运转,仅仅是因为空间的弯曲。

只要有质量的物体加速,改变了空间形状,引力波就产生了,你可以想象湖面的涟漪。当高密度、大质量的物体在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它们会在时空的垫子上泛起涟漪。这些波纹携带着大质量物体的引力辐射,在广阔的宇宙中传播。激光干涉引力波观测站的存在就是为了捕捉这种微弱的波动。

1915年,爱因斯坦发表广义相对论论文,革新了自牛顿以来的引力观和时空观,创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年爱因斯坦在广义相对论的框架内,又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

一大早被人类首次探测到引力波的新闻刷屏,可能有大批和小编一样迷茫的人还在纠结引力怎么会有波这种问题。中国科普博览带你一起读懂,引力究竟是怎么回事!

一、牛顿的描述:

牛顿认为,月球之所以会绕地球运转,是它们之间存在万有引力的缘故。这引力像绳子或弹簧一样一头拴着月亮,一头系着地球。一个形象的比喻就是投掷链球: 地球是链球运动员而月亮是链球,地球在自己旋转的同时用铁链(万有引力)拉住月球,带它一块转。当然,万有引力是无形的,看不见摸不着,却如一条条铁链拴 住世间万物。

二、爱因斯坦的见解:

后来人们观测到遥远的星光经过太阳附近时会发生弯曲。而牛顿以来的科学家都认为光线是直线传播的。爱因斯坦认为,要解决观测与理论间的矛盾,只能假设太 阳周围的空间是弯曲的,这样光线在其中通过时,其路径也弯曲起来。于是他提出了广义相对论,用弯曲空间来讨论万有引力的作用:


每个有质量的物体周围都会出现时空的“弯曲”。这种弯曲就像在一层橡胶膜上放一颗铁球产生的凹陷一样。这时放在膜上的物体就要顺势滑向铁球。在现实中,太阳 的质量也在其周围产生空间弯曲,行星在“弯曲”的空间里运动,看起来好像是绕着太阳转圈一样。想象一下在漏斗侧壁上滚动的小球,只要它的速度合适,就不会 落入漏斗中。同样,包括地球在内的行星都以恰到好处的速度绕太阳转动,因此不会被太阳这个“引力漏斗”吸入。

一颗普通的恒星太阳尚且能把时空弯曲到如此程度,更不必说体积甚小、质量更大的黑洞了。它在时空中产生的弯曲就像用一根针戳向橡皮膜造成的凹陷一样厉害。这时牛顿的万有引力定律已经派不上用场。

你大概会认为这是一种想象出来的局面,但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的,正像一条船在呈曲面的大海上行驶一样。至于这条椭圆路线,牛顿是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的,正是这种引力使地球保持在它的轨道上。

不过,我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式,来确定这种空间 的几何形态。如果空间是“平坦的”,各种物体就会走直线从这个空间中通过,如果空间是“弯曲的”,各种物体就会走出弯曲的路线来。

一个具有确定质量和速度的物体,如果在离开其他物体都很远的地方运动,那么,它的路径真的可以说是一条直线。而当它越靠近另一个有质量的物体,它的路径 就会变得越来越弯曲,显然,是质量把空间弯曲了。质量越大,离质量越近,空间弯曲的就越厉害。由此看来,万有引力只适用于描述空间弯曲程度较轻的情况,而广义相对论则适用于任何程度的弯曲空间。

[名词解释:“时空”在相对论中,时间与空间不可分割,就好像物体的长、宽、高不可分割一样。爱因斯坦认为,时间是现实世界中除长、宽、高以外的第四个维度,“空间~时间”构成了一个连续的体系。单指出一个物体的瞬间状态是没有什么意义的,必须也描述该物体在时间中的变化。]

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