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科学|为什么引力波会以光速传播？( 二 )


在这种假设情况下会发生什么？如果太阳在某一特定时刻以某种方式消失，地球会立即以直线飞行吗？或者地球会继续在椭圆轨道上运动8分20秒，直到以光速传播的不断变化的引力信号到达地球时才偏离轨道？
如果你问广义相对论，答案更接近后者，因为不是质量决定引力，而是空间的曲率，它是由空间中所有物质和能量之和决定的 。如果你把太阳拿走，空间就会从弯曲变成平坦，但只是在太阳物理位置上 。这种转变的影响会向外辐射，产生非常大的涟漪 。引力波——像三维池塘里的涟漪一样在宇宙中传播 。
科学|为什么引力波会以光速传播？
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无论是通过介质还是在真空中，每一个传播的波纹都有一个传播速度 。在任何情况下，传播速度都不是无限的，理论上，重力波传播的速度应该与宇宙中的最大速度相同:光速 。
在相对论的背景下，无论是狭义相对论(在平坦空间中)还是广义相对论(在任何广义空间中)，任何运动的速度都是由同样的东西决定的：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 。
这有一些有趣的结果 。任何惯性(非加速)参考系中的观察者都会看到引力波以光速运动 。不同的观察者会看到引力波的红移和蓝移，这是由于所有的影响——比如源/观察者的运动，引力波的红移/蓝移，以及宇宙的膨胀——电磁波也会经历这些影响 。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单的事实意味着所有这些表述都必须是正确的 。
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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分 。地球被吸引到大约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 。它之所以具有革命性，是因为一个简单的事实：如果引力只是以光速将行星吸引到太阳之前的位置，那么行星的预测位置将与它们实际观测到的位置严重不匹配 。
牛顿定律要求瞬间的重力速度达到如此精确的程度，如果这是唯一的约束条件，那么重力的速度肯定比光速快200亿倍，认识到这一点真是太妙了!但在广义相对论中，还有另一个效应: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，从它上升到下降的不同位置 。
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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，它会经历一个加速度 。当它穿过空间曲率不断变化的区域时，它的速度也会产生额外的影响 。这两种效应结合起来，与牛顿引力的预测结果略有不同 。
在广义相对论中，与牛顿引力相反，有两个重要的区别 。当然，任何两个物体都会对另一个物体施加引力，通过弯曲空间或施加一个长程力 。但是在广义相对论中，这两个额外的部分在起作用:每个物体的速度影响它如何体验重力，在引力场中发生的变化也是如此 。
有限的重力速度会引起引力场的变化，这与牛顿的预测大相径庭，与速度相关的相互作用的影响也是如此 。令人惊讶的是，这两个效应几乎完全抵消 。正是这种对消的微小不精确性，让我们得以首次测试牛顿的“无限速度”或爱因斯坦的“重力速度等于光速”模型是否符合我们宇宙的物理学 。
为了测试重力的速度是多少，通过观测，我们需要一个空间曲率很大，引力场很强，加速度很大的系统 。理想情况下，我们会选择一个大的、质量大的物体在一个不断变化的引力场中以一个不断变化的速度运动的系统 。换句话说，我们想要一个系统，在一个很小的空间区域里，有一对紧密的轨道运行的，可观测的，高质量的物体 。
自然与此相配合，因为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非常精确地测量，如果发生了一件意外的事情:如果我们的视角与中子星极点发出的辐射完全一致 。如果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观察到一个脉冲 。
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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 。我们利用双星脉冲星的数据将重力的速度限制在光速的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进程的一个重要部分，如果没有它，引力波的存在仍然是有疑问的 。


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