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  • 1 # 宇瑤雜談

    關於引力傳播速度的問題,這個在科學界是經過了一個逐漸改變的過程的,按照現在的物理理論,引力傳播的速度和光速一致,並且這個數值是經過實際測量的!下面我們就來看看科學家們對於“引力”是如何認知和如何測量的。

    牛頓與愛因斯坦關於引力的描述

    說到引力,我們就要提起現代物理學中的兩位大人物,牛頓和愛因斯坦。

    牛頓在他的經典力學定律中提到了萬有引力,但是在他的模型裡,引力的傳播速度是無限的,也就是說是一個固定的場。舉個例子,如果太陽系的太陽突然消失,那麼所有的星球就會在太陽消失的瞬間按照其執行軌道的切線飛出去。

    到了愛因斯坦的時候,他對引力有了一個全新的解釋,引力並不是真正意義上的力,它是質量或者能量彎曲時空之後產生的幾何效應。太陽的質量導致了時空的彎曲,所以地球要按照彎曲時空後的“直線”(也就是現在的執行軌道)做圓周運動(不是正圓哦!)。

    引力是時空彎曲後的一種效應,我們舉個例子,你回家後躺到床上,因為你的重量,床墊會被壓得彎曲,那麼如果在床上放一個小球,你壓彎了床墊之後,小球就會向你滾過去,這個就是“引力”。

    在愛因斯坦的引力場方程中(下圖),引力的傳播速度被設定為光速,記住,是直接設定為光速,仔細觀察方程式,你會發現他直接引用了光速C,而光速在相對論裡是一個常數。

    還是用上面床墊的例子,你從床上起來,床上的小球會在床墊恢復平衡後失去“引力”,而這個床墊的恢復速度就是光速,至於為什麼是光速,愛因斯坦是直接設定的,他沒說是為啥?

    也就是說,如果太陽突然消失了,地球會在8分鐘之後才會知道來自太陽的引力沒有了,然後按照軌道切線飛出去。這個時間火星需要12分鐘,而木星則需要43分鐘。

    引力傳播速度的測量

    在靜止或者勻速運動的系統中,引力是無法測量的,只有物體運動時才會擴散出引力波。但是物體間的引力效應實際非常微弱,依靠太陽和地球的相對運動幾乎無法完成這種測量。

    2002年,科學家透過木星遮掩類星體J0842事件測得引力的傳播速度為光速的±20%,並且絕對不會超過兩倍光速。

    到了2015年,這一年非常重要,因為我們第一次透過實際測量找到了“引力波”。因為這次的資料非常關鍵,所以我要多用點篇幅描述一下。

    LIGO 科學合作組織在美國華盛頓州的漢福德與路易斯安那州的利文斯頓分別修建了引力波鐳射干涉探測器。

    引力波鐳射干涉探測器使用一束頻率穩定的鐳射透過分光鏡後分別射向兩個鏡面,透過調整鏡面的距離,使返回的兩束鐳射可以相互抵消,這樣在觀測裝置上就不能觀測到激光了。

    當有引力波透過地球時,引力波引起的時空變形會使原有鏡面與觀測裝置間的距離發生變化,兩束完美抵消的鐳射會變得不完全抵消,觀測裝置上就出現了訊號。

    2015年9月14日,一束來自13億光年之外訊號劃過了地球,那是13億光年之外的兩個初始質量約為太陽30倍的黑洞融合引起的引力波,本次融合釋放了相當於3個太陽質量完全轉化後的能量,瞬時功率超過了宇宙中所有恆星的功率之和。

    如此巨大的能量以引力波的形式擴散出去並劃過地球,使位於路易斯安那的探測器上,距離長達4千米的鏡面和接受裝置之間產生大約1/4個質子大小的位移,機器裝置精確的記錄了本次訊號,7 毫秒後3000 公里外的華盛頓探測器記錄到了同樣的資料。“資料在尖叫,接著傳來了‘砰’的一聲。”LIGO 實驗室的負責人戴維·雷茨(David Reitze)回憶當時的情景時如此說道。

    本次的測量也使得該專案的部分參與者獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

    到了2017年,雙中子星的合併再次被測量到引力波,並且在檢測到引力波兩秒之後,檢測到了幾乎同步抵達的電磁波輻射,這次的觀測,使引力的傳播速度被限定到了光速的±1%以內,基本證明了相對論中關於引力傳播速度等於光速的推論。

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