引力波是如何产生的(引力波是怎么回事)

引力波是如何产生的(引力波是怎么回事)(1)

引力波最早由爱因斯坦的广义相对论所预言,它的存在与引力的产生形式有关。早在爱因斯坦之前,牛顿发现了万有引力定律。在牛顿看来,任何物体之间都存在着一种吸引力,其大小与物体的质量和距离有关。虽然这样的描述解释了很多天体运动,但也对一些现象束手无策,比如水星近日点进动的问题。爱因斯坦另辟蹊径,他认为引力作用其实是一种几何效应。想一想,做自由落体运动的物体其运动规律都是一样的,与物体本身的质量大小无关(这里不考虑空气阻力)。基于这样的思想,爱因斯坦创立了一种新的引力理论——广义相对论。

根据广义相对论,引力其实是时空弯曲的表现。任何具有质量的物体都会扭曲周围的时空,并且时空曲率随着物体质量的增加而变大。在这样弯曲的时空之中,物体之间具有加速靠近的趋势,而这正是我们所认为的引力作用。著名物理学家约翰·惠勒对引力作用进行了精辟地概述:“物体告诉时空如何弯曲,时空高速物体如何运动。”

引力波是如何产生的(引力波是怎么回事)(2)

如果物体在时空中加速运动,比如环绕运动(速度方向发生改变),就会导致时空曲率随着时间而发生变化,这种变化将会通过波的形式向外传递,此即为引力波,它的传播速度就是光速。引力波在牛顿的引力理论中是不存在的,因为引力作用被认为是一种瞬时超距作用。根据广义相对论,只要是有质量的物体做加速运动都会产生引力波,例如,地球围绕太阳公转或者我们在地上走路,但由于太过微弱而无法被探测到。只有像中子星的合并或者黑洞的碰撞等灾难性的宇宙事件才能产生足以被探测到的引力波。

自引力波被爱因斯坦预言之后,天文学家一直试图探测它们的存在。虽然此前天文学家已经通过间接方法发现引力波存在的证据,但直到2015年9月14日,激光干涉引力波天文台(LIGO)才首次直接探测到了引力波。此次引力波事件源自13亿光年之外的两个黑洞碰撞,造成时空曲率发生显著变化。毫无疑问,引力波的发现成为了人类历史上最伟大的科学发现之一。

引力波是如何产生的(引力波是怎么回事)(3)

因此,今年的诺贝尔物理学奖授予了为发现引力波做出极大贡献的三位物理学家:Rainer Weiss、Barry Barish以及Kip Thorne,他们的获奖绝对是实至名归。最后还要强调的一点是,引力波是科学的胜利,不要又跟某些民科扯在一起。

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