引力理论与宇宙学?宇宙中存在引力波是真理吗( 二 ) _生活百科

牛顿的万有引力定律跟库伦定律很像。依据同样的原则：引力相互作用，也应该是通过引力场，以不超过光的速度传播的。万有引力定律不可能是准确的、完整的引力规律。然而，引力远比电磁力复杂。爱因斯坦从1907到1915，用了整整八年时间，才完成了广义相对论。
有了狭义相对论，引力和电力变得非常不同。引力是和质量成正比的，一旦动起来，狭义相对论告诉我们物体的质量会变大，电荷则是不变的。并且，狭义相对论告诉我们能量和质量是成正比的。引力场本身有能量，也就有质量，也能产生引力。这和不带电荷的电磁场完全不同。引力场方程注定是一个非线性方程。
爱因斯坦开始意识到引力也是一个相对的东西，终于参透了引力的奥秘。
宇宙飞船中的宇航员是感受不到地球引力的，在飞船上做任何实验，也测不出地球的引力有多大。需要地球上的人告诉宇航员，你在一个非惯性的，自由落体的参照系里，你失重了，宇航员才知道地球引力的存在。

文章插图
网络配图
引力场在局部是相对的，对于任何一个点，都存在一个时空参照系，比如宇宙飞船中的自由落体参照系，使得这个点附近看不到任何引力场的效应。但它整体是客观存在的，飞船会围着地球转，宇航员不断地观测周围的星象，就会知道地球在拽着它。
就像古人以为自己生活的大地是平的，直到绕地球航海一圈回到出发点，才知道地球的表面是弯曲的。爱因斯坦于是想到，是不是引力让时空变得弯曲了?
如果说狭义相对论让人类脑洞大开，广义相对论简直超越人类想象力。人类生活在一个三维空间里，对这个空间里的弯曲的曲线和曲面有着直观的认识，我们能从外面看见它们的弯曲。但如果说我们生活在其中的三维空间，四维时空是弯曲的，该怎么理解，怎么想象呢?
爱因斯坦的广义相对论，得益于数学家已经建立好了一套工具体系——黎曼几何。黎曼已经研究了上面的问题，他的工作很了不起，数学从研究现实世界中抽象出来的数字和形状，到开始研究现实世界不存在但逻辑自洽的东西，最终又发现现实世界竟然真是这个样子，这太美妙了。
黎曼几何的结论是，虽然我们生活在这个空间里，我们还是有办法测量这个空间是直的还是弯的。比如测量三角形的三个内角和是不是180度。如果大于180度，这个空间就是正曲率，反之则是负曲率。如果这个空间接近平直，曲率比较小，就需要一个很大的三角形才能看到明显效果。
以上是爱因斯坦利用黎曼几何写出的引力场方程，漂亮而貌似很简单。但这个方程展开后实际非常复杂，不但一般情况下不可求解，甚至一般解的很多基本特性也长期没有搞清楚。不过在广义相对论发表一年之内，这个方程的两个解还是被找到了。

文章插图
网络配图
第一个解远看像一颗星星或一个质点，越靠近中心时空，扭曲得就越厉害，以至于任何物质接近到一定程度就再也出不来，即使光线也不能射出来，这就是黑洞。这样难以置信的东西在宇宙中竟然被找到了。黑洞不能被直接观测，因为它不发射任何粒子或光线，但天文学家们发现，宇宙中有很多地方，大量的物质被吸进去。
第二个解是爱因斯坦自己找到的，就是引力波。引力波是时空形变的涟漪，以光速在传播。当引力波穿过时，所有物体在某一个方向上的长度会变长、变短，如下图(图中的比例是极度夸张的) 。
爱因斯坦在1916年预言到引力波，之后一百年都没有被观测到，因为它太难观测了。首先，引力是一种很弱的相互作用。地球这样尺寸的物体，它的引力才能让人类感受到。其次，很重的物体，必须加速或旋转得很快，它的辐射才会比较大。地球绕太阳运转时会发射引力波，但地球走得太慢，一年才转一圈，它的引力波辐射只有区区一个灯泡般的200瓦。这双重的困难，使得造出一个引力辐射源超出了人类的能力。
然而放眼看宇宙，宇宙总会让我们惊愕。强大得多的辐射源是可以找到的。要想给一个巨大的天体产生巨大的加速度，就必须有强大的引力;要有强大的引力，就必须有另一个巨大天体离它很近;要想两个天体靠得很近又不发生碰撞，两个天体就必须有非常高的密度，以至于半径很小。