引力波傳播的速度有多快？
圖片來源:歐洲南方天文臺，圍繞雙星伴星運(yùn)行的脈沖星和引力波，愛因斯坦廣義相對論最令人驚訝的預(yù)言之一，不僅是物質(zhì)、輻射和其他以粒子為基礎(chǔ)的能量形式的存在，而且是引力輻射本身的存在，或時空結(jié)構(gòu)中最基本的“漣漪”的存在。這是最難理解的事情之一，眾籌網(wǎng)站的支持者羅伯特想知道更多:
[引力波]是時空的擾動，它以c點(diǎn)運(yùn)動。然而，時空可以比c點(diǎn)更快地膨脹和收縮，壓縮后的膨脹基本上就是壓縮波的定義，這似乎產(chǎn)生了一個悖論:引力波在c點(diǎn)傳播，但似乎有一種方法可以使它們達(dá)到超光速，如何解決這個明顯的悖論。
首先，讓我們從輻射的概念(以及它是如何產(chǎn)生的)開始。
圖片來源:美國國家航空航天局和哈勃傳統(tǒng)團(tuán)隊(太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究院所/大學(xué)天文研究協(xié)會)，來自M87星系的相對論性噴流，由帶電粒子的加速產(chǎn)生。
圖片來源:美國國家航空航天局和哈勃遺產(chǎn)團(tuán)隊(太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究院所/大學(xué)天文研究協(xié)會)，相對論性噴射來自…(+)
在電磁學(xué)中，甚至在經(jīng)典電磁學(xué)中，產(chǎn)生電磁輻射只需要兩樣?xùn)|西:電荷和使其穿過的場。電荷可以是正電荷(如質(zhì)子)，也可以是負(fù)電荷(如電子)，如果它穿過磁場，磁場就會加速電荷的運(yùn)動，使電荷從這里開始沿圓周或螺旋運(yùn)動。
場越大，速度越大，粒子的電荷質(zhì)量比越大，加速度(或運(yùn)動變化)就越大。
但是像這樣的相互作用需要保存能量和動量，在電磁學(xué)中起作用的方式是，任何時候一個電荷由于外部場的作用而加速，它必須釋放出輻射才能做到這一點(diǎn)。這種輻射(在電磁學(xué)中)以光子的形式出現(xiàn)，根據(jù)它是如何產(chǎn)生的，被稱為軔致輻射、回旋輻射或同步輻射。
在牛頓物理學(xué)中，不存在引力輻射這種東西，但愛因斯坦的廣義相對論改變了這一切。大質(zhì)量源——比如粒子——與引力電荷類似，而空間的彎曲結(jié)構(gòu)本身與引力場類似。任何時候，一個巨大的粒子在彎曲的空間中移動，在有恒星、白矮星、中子星或黑洞存在的情況下，它可能會嚴(yán)重彎曲，它將發(fā)出類似電磁輻射的東西:引力輻射。
圖片來源:特德.斯特梅耶 (戈達(dá)德太空飛行中心)，CXC,美國國家航空航天局
插圖:達(dá)娜.貝瑞 (CXC)。
這種新形式的輻射既不是光子，也不是任何其他形式的粒子輻射，而是通過空間結(jié)構(gòu)本身的漣漪:引力波。對于像地球這樣繞太陽公轉(zhuǎn)的質(zhì)量來說，引力輻射是如此之小，以至于需要宇宙的10^140個年齡才能使軌道發(fā)生明顯的變化;我們將永遠(yuǎn)看不到它。但是對于質(zhì)量更大、距離更近、場更強(qiáng)的系統(tǒng)，結(jié)果會更嚴(yán)重:像雙星脈沖星這樣的系統(tǒng)，在我們星系中心的超大質(zhì)量黑洞軌道上運(yùn)行的東西，甚至是正在合并的黑洞。在這些情況下，我們可以觀察軌道衰變，為了保存能量，我們知道一定有什么東西把它帶走了。
圖片來源:美國國家航空航天局(左)，馬克斯·普朗克射電天文研究所/邁克爾·克雷默。
這個“東西”一定是引力輻射(又稱引力波)，由于對雙星脈沖星系統(tǒng)的觀測，我們知道這個引力輻射的速度一定等于光速，精度只有0.2%!換句話說，這些漣漪確實(shí)以光子的速度在空間中移動。主要的區(qū)別在于，在引力輻射的情況下，這些漣漪是空間結(jié)構(gòu)本身固有的。
由快速軌道恒星(中子星、白矮星或黑洞)產(chǎn)生的時空漣漪。
圖片來源:NASA。由快速軌道恒星(中子星、白矮星或黑洞)產(chǎn)生的時空漣
那么，回到羅伯特最初的問題，當(dāng)這些漣漪不是在(近似)靜態(tài)空間中產(chǎn)生，而是在膨脹的宇宙中產(chǎn)生時，會發(fā)生什么呢?答案是，它們受到拉伸，受到宇宙膨脹的影響，就像光子受到拉伸，受到宇宙膨脹的影響一樣。
當(dāng)光子在膨脹的宇宙中傳播時，它們的波長隨著空間結(jié)構(gòu)的膨脹而延伸。它們的數(shù)量(和能量)密度會稀釋，盡管它們總是以光速傳播，但發(fā)射源和觀測接收器之間的距離會改變。例如，在大爆炸剛開始的時候，大約138億年前，在通貨膨脹結(jié)束后10^-33秒:今天到達(dá)我們的光子在138億年前離我們只有100米遠(yuǎn)。
光子經(jīng)過了138億年，在膨脹的宇宙中穿行了138億光年，它的波長被拉長了大約28個數(shù)量級。今天到達(dá)我們時，光子發(fā)射的位置離我們有461億光年遠(yuǎn)。
聽起來很瘋狂嗎?同樣的瘋狂也發(fā)生在引力波上!引力波也必須在膨脹的宇宙中傳播，也會以光速在空間中傳播(無論空間是在膨脹、收縮還是靜止)，而且它的波長會像光子的波長一樣被拉長。引力波“駕馭”空間結(jié)構(gòu)，就像水波“駕馭”水面一樣;如果你有一塊石頭掉進(jìn)了河里，它的波紋不只是呈放射狀向外擴(kuò)散;它們向外移動，被下游的水流帶走。
圖片來源:Sergiu Bacioiu，來自羅馬尼亞，c.c.-2.0通用。
空間結(jié)構(gòu)中的引力漣漪有點(diǎn)像這樣:這些漣漪以它們以光速穿過介質(zhì)移動，但有時介質(zhì)本身也在移動。這并不意味著它打破了光速，就像光子打破了光速一樣，當(dāng)它們在138億年之后結(jié)束了460億光年，引力波正在做它們應(yīng)該做的事情。注意，壓縮之后是稀薄的類比實(shí)際上是一個非常非常好的類比，一個通過的波將扭曲空間的結(jié)構(gòu)(和所有的物品/粒子)通過拉伸和壓縮它們在一個非常特殊的方式。
但是在宇宙中傳播的方式是以光速在空間結(jié)構(gòu)本身的上方傳播:膨脹、收縮或保持靜止。這就是悖論的解決方法:它們在c點(diǎn)運(yùn)動，不管你怎么處理它們在途中穿過的織物!
作者: Ethan Siegel
