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引力波的历史:爱因斯坦和他的相对论

科普中国 2016-06-16

  乐器发出的声音满载着信息。聆听音乐时,我们可以推论出演奏音乐的乐器的种类(如管乐器或者弦乐器) 和质地(铜制的或是木制的),我们甚至可以评价乐手技艺的精湛程度。所有这些信息的载体是声波,这是一种以固定速率向外传播的空气扰动。物理学家也借用这 个概念来研究宇宙。只不过,在宇宙中传导波的介质并不是空气,而是时空;而这种波不再是声波,而是引力波。

  实际上,广义相对论提出的一个基本假设是,把空间的三个维度和时间维度统一在一起的时空(spacetime)是具有弹性的。就算其中空无一物,时空也可发生振动,而这种振动就是引力波。这种波与乐器发出的声波一样,也满载着信息。这些信息一方面反映了制造出引力波的事件,而另一方面也体现了引力波传播时通 过的时空的性质。

  爱因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初,引力波曾遭到了物理学家的质疑。从理论的角度看,引力波的存在仰仗的是时空与其他物理实体之间的微妙差异。此外,通过实验探测引力波是极为困难的。

  现在,再没人怀疑引力波的存在了。引力波是广义相对论的预言产物,而广义相对论在20世纪已经被无数的观测和实验所证实。此外,一些天文观测为引力波的存在 提供了间接证据。物理学家甚至算出了引力波的一些特征值,比如传播速度。引力波在真空中的传播速度等于光速,与广义相对论的预测一致。

  不过,引力以有限的速度传播,这个性质并不是显而易见的。这个观点最初由皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon de Laplace)于1773年提出,与当时的主流理论——牛顿的万有引力理论是相悖的。在牛顿的理论框架内,不管相隔多远,两个有质量的物体间的引力作用 是立即发生的。而牛顿的理论相当成功,例如,它可以准确地解释行星运动的开普勒定律。

  拉普拉斯希望借用自己的新理论来解释一个奇特的天文现象——朔望月(月相变化的一个完整周期)的缩短。我们现在知道,这个现象是由于地球自转受潮汐力的影响变慢 而造成的。而在当时,为了解释这个现象,拉普拉斯构造了一个与牛顿体系不同的理论模型。在拉普拉斯的理论中,引力反映的是物体发射出的粒子的作用,这些粒子的速度是有限的。拉普拉斯将他的理论预测与观测进行对照,他发现所谓的“粒子”的速度应该至少是光速的700万倍(光速大约是每秒30万千米)。这个速度如此之大,实际上跟牛顿的理论没有太大的差别。

责任编辑:ttyy88121

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