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科学|为什么引力波会以光速传播？


科学|为什么引力波会以光速传播？
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时空中的波纹就是引力波，它们以光速在空间中向各个方向传播 。虽然爱因斯坦的广义相对论方程式中从未出现过电磁学常数，但引力波无疑是以光速运动的 。
描述整个宇宙需要两类基本理论 。一方面，有量子场论，它描述了电磁力和核力，并解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，它解释了物质/能量和空间/时间之间的关系，并描述了我们所经历的引力 。在广义相对论的背景下，出现了一种新的辐射类型：引力波 。然而，尽管这些引力波与光无关，但它们必须以光速传播 。这是为什么呢？
我们知道电磁辐射的速度可以由真空中的麦克斯韦方程推导出来 。什么方程(可能与麦克斯韦方程类似？)提供了重力波必须以光速传播的数学证明？这是个很深奥的问题 。让我们深入了解细节 。
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可以写出各种各样的方程，比如麦克斯韦方程，来描述宇宙的某个方面 。我们可以用多种方式把它们写下来，因为它们有微分形式(左)和积分形式(右) 。只有将他们的预测与物理观察进行比较，我们才能得出关于其有效性的任何结论 。
乍一看，麦克斯韦方程组并不一定能预测光速辐射的存在 。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(不变的)电场和磁场，以及这些电场和电荷如何相互移动、加速和变化 。
现在，仅仅利用电磁学定律，我们就可以建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型，伴随着一场巨大的生存危机 。当负电荷穿过空间时，它会经历一个不断变化的电场，并因此而加速 。但是当带电粒子加速时，它必须将能量辐射出去，而唯一的方法就是通过电磁辐射 。
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在原子的卢瑟福模型中，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 。这需要量子力学的发展，以及玻尔模型的改进，才能理解这个明显的悖论 。
在经典电动力学的框架内，这有两个效应是可以计算的 。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，你必须从某个地方得到能量，唯一能得到能量的地方就是运动中的粒子的动能 。如果你失去了动能，你不可避免地会向中心旋转，吸引物体 。
你能计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，这是基本常数描述两个电荷之间的电力在真空中 。μ0，自由空间的渗透性，可以认为是常数，它定义了两个平行生产的磁力进行电线在真空恒流贯穿而过 。
当你计算电磁辐射产生的属性，它表现得像一个波的传播速度等于(ε0μ0)1/2,这恰好等于光速 。
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【科学|为什么引力波会以光速传播？】相对论性电子和正电子可以加速到非常高的速度，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预测的辐射的相对论类比，如果你用引力场和电荷来代替电磁场和电荷，它就有一个引力类比 。
在电磁学中，即使细节很容易算出来，整体效果也很直观 。经历外部电磁场变化的移动电荷会发出辐射，这种辐射既能带走能量，又能以特定的传播速度移动：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况下推导出来 。
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，我们可以想象一个非常类似于我们在电磁学中建立的系统：一个运动中的质量，绕着另一个质量旋转 。运动的物体会经历一个不断变化的外部引力场 。它将经历空间曲率的变化，这导致它发射辐射，带走能量 。这就是引力波的概念起源 。
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对于电磁学中的辐射反应，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 。当一颗巨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存能量：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？为什么重力的速度，你可以想象它可以取任何值，必须与光速完全相等？也许最重要的是，但我们怎么知道？
想象一下，如果突然使出终极宇宙魔法，让太阳消失，会发生什么 。如果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大约1.5亿公里所需要的时间 。但万有引力不一定是相同的 。正如牛顿的理论所预测的那样，引力有可能是一种瞬时现象，宇宙中所有有质量的物体都能同时感受到，跨越浩瀚的宇宙距离 。一个关于行星如何围绕太阳运行的精确模型，然后太阳以不同的运动方向穿过星系 。如果太阳完全消失，牛顿的理论预测它们将立即以直线飞行，而爱因斯坦的理论预测内行星的轨道运行时间将比外行星短 。


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