引力究竟有多快？

发布时间：2022-11-03 10:02 所属栏目：15 来源：互联网

导读：由于对引力波的观测，科学家能够解决关于引力速度的长期争论。纵观历史，科学家们对引力的确切速度提出了许多答案。概括地说，两个主要的命题是：引力要么无限快，要么和光速一样快。由于对2017年记录的引力波的观测，我们现在知道，引力和光的速度是一样的

　　由于对引力波的观测，科学家能够解决关于引力速度的长期争论。

　　纵观历史，科学家们对引力的确切速度提出了许多答案。概括地说，两个主要的命题是：引力要么无限快，要么和光速一样快。由于对2017年记录的引力波的观测，我们现在知道，引力和光的速度是一样的。

　　在人类已知的所有基本力量中，引力既是最熟悉的将宇宙凝聚在一起的力量，它将遥远的星系连接在一个巨大的、相互联系的宇宙网络中。考虑到这一点，一个引人思考的问题是引力是否有速度。事实证明，它确实有，而且科学家已经精确地测量了它。

　　我们从一个思想实验开始。假设在这一瞬间，太阳以某种方式消失，不仅是变暗，而而是完全消失。我们知道，光的传播速度是固定的：每秒30万公里。根据地球和太阳之间的已知距离为1.5亿公里，我们可以计算出需要多长时间我们在地球上才会知道太阳已经消失，大约需要8分20秒，正午的天空才会变暗。

　　但是引力呢？如果太阳消失了，它不仅会停止发光，而且也会停止施加支撑行星运行的引力。我们什么时候会知道呢？

　　如果引力是无限快的，那么太阳一消失，引力也会立即消失。我们仍然会在8分钟多一点的时间里看到太阳，但是地球已经开始四处游荡了，前往星际空间。另一方面，如果引力以光速运行，我们的星球将继续像往常一样围绕太阳运行8分20秒，之后它将停止沿着它熟悉的路径运行。

　　当然，如果万有引力以其他速度传播，那么在海滩上的太阳崇拜者注意到太阳消失时和天文学家观察到地球朝错误方向运行时的时间间隔就会有所不同。那么，引力的速度是多少？

　　在整个科学史上，人们提出了不同的答案。发明了第一个复杂的引力理论的牛顿认为，引力的速度是无限的。他曾预言，在地球上的人类注意到太阳消失之前，地球在太空中的路径会发生变化。

　　另一方面，爱因斯坦认为引力是以光速传播的。他预测，人类会同时注意到太阳的消失和地球在宇宙中的路径改变。他将这一假设建立在他的广义相对论中，该理论是目前公认的最佳引力理论，它非常精确地预测了行星围绕太阳的路径。他的理论比牛顿的理论做出了更准确的预测。那么，我们能得出结论说爱因斯坦是对的吗？

　　不，我们不能。如果我们想测量引力的速度，我们需要想出一种方法来直接测量它。当然，由于我们不能只是让太阳"消失"片刻来测试爱因斯坦的想法，我们需要找到另一种方法。

　　爱因斯坦的引力理论做出了可测试的预测。最重要的一个是，他意识到我们所熟悉的引力可以解释为空间结构的扭曲：扭曲越大，引力越大。这个想法产生了重大影响。它表明，空间是具有延展性的，类似于蹦床的表面，当一个孩子踩在上面时，它就会扭曲。此外，如果同一个孩子在蹦床上跳跃，表面就会改变：它上下弹跳。

　　同样，空间也可以比喻为"上下弹跳"，尽管更准确地说是它压缩和放松，类似于空气传播声波的方式。这些空间扭曲被称为"引力波"，它们将以引力的速度传播。因此，如果我们能够探测到引力波，我们或许可以测量引力的速度。但是以科学家可以测量的方式扭曲空间是相当困难的，而且远远超出了目前的技术。幸运的是，大自然已经帮助我们解决了这个问题。

　　测量引力波

　　在太空中，行星绕着恒星运行。但有时恒星会围绕其他恒星运行。其中一些恒星曾经是大质量的，并且已经经历过了它们的生命，然后死亡，留下一个黑洞，一个死去的大质量恒星的尸体。如果有两颗这样的恒星死亡，那么你就会有两个黑洞互相环绕。在它们绕轨道运行的过程中，它们会发出微小的（目前无法检测到的）引力辐射，这使得它们失去能量并相互靠近。最终，这两个黑洞足够接近，以至于它们合并了。这个剧烈的过程释放出大量的引力波。在两个黑洞走到一起的那几分之一秒里，合并释放出的引力波能量比可见宇宙中所有恒星在同一时间内发出的所有光都要多。

　　虽然引力辐射早在1916年就被预测到了，但科学家们花了近一个世纪才开发出探测它的技术。为了探测这些扭曲，科学家们使用两个管子，每个管子大约4公里长，并以90度的方向排列，因此它们形成一个"L"形。然后他们使用镜子和激光的组合来测量两个管子的长度。引力辐射将以不同方式改变两个管子的长度，如果他们看到正确的长度变化模式，就观测到了引力波。

　　引力波的首次观测发生在2015年，当时位于距离地球10亿光年以上的两个黑洞合并了。虽然这是天文学中一个非常令人兴奋的时刻，但它并没有回答引力速度的问题。为此，需要一个不同的观察。

　　虽然引力波是在两个黑洞碰撞时发出的，但这并不是唯一可能的原因。当两颗中子星撞在一起时也会发出引力波。中子星也是燃烧殆尽的恒星，与黑洞相似，但略微轻一些。此外，当中子星碰撞时，它们不仅会发出引力辐射，还会发出强大的光爆，可以在整个宇宙中看到。为了确定引力的速度，科学家需要看到两颗中子星的合并。

　　02:42

　　2017年，天文学家们得到了他们的机会。他们检测到了一个引力波，两秒多一点后，轨道观测站检测到了伽马辐射，这是一种光，来自空间的同一位置，源于1.3亿光年外的一个星系。最后，天文学家们找到了他们需要的东西，以确定引力的速度。

　　两颗中子星的合并会同时发出光和引力波，所以如果引力和光有相同的速度，它们应该在同一时间在地球上被探测到。考虑到容纳这两颗中子星的星系的距离，我们知道这两种类型的波已经旅行了大约1.3亿年，并在彼此的两秒钟内到达。

　　所以，这就是答案。引力和光以相同的速度旅行，由精确的测量决定。它再次验证了爱因斯坦，并暗示了关于空间性质的一些深刻的东西。科学家们希望有一天能够完全理解为什么这两个非常不同的现象具有相同的速度。

（编辑：ASP站长网）