若是把引力认为是牛顿说的力,就很难理解波了。只要能先忘失落引力是一种力,宁可想当作“冲击波”都行,让我从头给您灌注贯注一遍为什么工具会落地。
爱因斯坦在他的《广义相对论》论中提出的更切确的引力描述,引力波的概念就是从他那来的,但他说的仍是会很抽象,所以多上点动图。
图:爱因斯说:引力不是力只是穿越时空的涟漪
时空扭曲
《广义相对论》把引力描述为空间和时候的弯曲。所有物体城市扭曲时空。
当其他物体穿过这个扭曲的时空时,它们会沿着弯曲的时空路径活动。这些弯曲的路径看起来像是施加在物体上的力,从而发生的成果,但现实上它们是时空自己被扭曲的成果。
例如,当您把一个球扔给您的伴侣,在重力的影响下,它会沿着一个光滑的抛物线轨迹活动。牛顿定律认为,是地球的质量发生的引力感化在了棒球上,逐渐将棒球从直线活动中拉了下来。
然而,更精确的描述是这样的:地球扭曲了空间和时候。棒球现实上是在一条相对于时空的直线上活动,但因为时空自己是弯曲的,所以这条直线在外人看来就酿成了一条曲线。这样,就不会有任何直接的力感化在棒球上。
棒球原本活动的轨迹就应该是这样的,只是因为时空扭曲。固然这一切听起来很奇异,让人难以置信,可是爱因斯坦的《广义相对论》论一百多年来一向是本家儿流科学,而且被无数的尝试验证过的。
图:爱丁顿发现星系光线偏转证实了《广义相对论》
原则上,所有物体城市扭曲时空。然而,像房子和树这样的小质量物体却能将扭曲的时空到水平很是小,以至于我们察觉不到它们的影响。大质量的物体,如行星、卫星或恒星,才能使引力效应变得较着。
图:除了光子,组成物质的其他粒子也会发生引力波,固然极其细小
一个物体的质量越大,它扭曲时空的水平就越大,它对其他物体的引力效应也就越强。例如,黑洞的质量很是大,体积却很是小,连光都无法逃逸。在黑洞的视界内,时空极致的扭曲,以至于光的所有路径最终都只能进入黑洞的更深处。
地球的引力波
因为时空的扭曲是由质量引起的,所以扭曲是随质量一路活动的。例如,地球将四周的时空扭曲当作一个标的目的内缩短的外形(为了理解,粗略的比方)。本地球绕太阳公转一圈时,这种时空曲率模子也会跟着地球活动。
一个相对于太阳静止的不雅测者,在接近地球轨道的一点上,可以看到地球在一年的周期中,离太阳越来越近,越来越远,越来越近,越来越远。
是以,对于这名不雅测者来说地球的时空曲率模子也在一年的周期中越来越近,越来越远,越来越近,越来越远。若是不雅察者可以监测到时空的曲率,那么他会发现本身的局部时空在一年的周期中被挤压,然后不被挤压,再被挤压,再不被挤压。是以,不雅测者正履历一种时空曲率的振荡,这就是一种引力波,它正从地球标的目的别传播。
这样的环境不时刻刻在宇宙中发生,然而在实践中引力波是过分微弱以至于它们对日常生活没有显著的影响。颠末的引力波造当作的时空振荡也过分微弱,所以人类也无法察觉或感触感染到。只有很是活络的现代化引力波探测器设备才能探测到引力波。在爱因斯坦预言引力波的存在100年后,科技才达到了可以或许探测引力波的水准。
引力波闪现
不外,这种周期性扭曲时空的设法被过度简化了。若是应用《广义相对论》论的完整数学,您会发此刻一个引力波过来时,不雅测者履历的并非时空挤压和不挤压的轮回模式。相反,不雅察者会履历另一种轮回模式,即在统一空间中局部空间会标的目的一个偏向拉伸,同时去挤压拉伸偏向上的空间,然后拉伸水平慢慢减小,小到必然水平继续在次拉伸,轮回来去。
(好吧!)太抽象了,我知道您可能听不懂我在说什么,我本身也没给本身申明白,我们继续上动图、举个例子。例如,假设一个来自遥远恒星的引力波径直朝您地点的地球概况活动。若是引力波的强度比现实强度高1000万亿倍,那么您会看到一个与工具偏向一致的尺子会刹时变短,而与南海说神聊偏向一致的尺子刹时变长。过了一会儿,工具方的尺子变长了,而南海说神聊方的尺子变短了。
在引力波曩昔之前,每个尺子城市周期性地变长变短。您的尺子没弊端,您的眼睛也没弊端,是时空自己正在扭曲,时空中的一切都履历着扭曲,包罗您本人也会变长变短。
引力波探测
实际糊口中固然这种影响很微弱,但引力波确实存在。引力波探测器现实上就是一个很是长的尺子,可以或许很是精确地测量尺子的长度。
图:LIGO探测器
例如,LIGO探测器的每个臂长2.5英里,并利用激光切确测量长度。固然此刻科技我们自认为很发财了,但我们所能探测到的引力波也很是微弱,一般环境下只能探测到最大的引力波。
最大的引力波
今朝的探测仪无法探测到绕恒星运行的行星或绕行星运行的卫星所发生的引力波。最大的引力波发生于两个黑洞在快速彼此绕转后敏捷吞噬。当两颗中子星互相环抱时,或者当黑洞和中子星互相环抱时,在归并之前,也会发生庞大的波。这些是今朝为止我们所探测到的引力波的独一类型。
一般来说,质量加快时就会发生引力波,圆周活动只是加快度的一种形式。若是一个有质量的物体沿直线加快,与圆周活动的标的目的心加快度相等,那么它就会发生同样的引力波。沿直线下降的物体也会发生引力波。然而,在天文标准上,一个物体沿着圆形轨道不变地活动远比一个物体沿直线猛烈地减速或加快要常见得多。
另一点要记住的是,地球在其每年的轨道上发生的引力波不仅极其微弱,并且有一年的周期。这意味着,在另一个星球上的引力波探测器必需不雅察好几年,才能捕获到地球轨道活动发生的引力波的振荡外形。相反,就在两个黑洞归并之前,它们以极快的速度彼此环抱,以至于每一个黑洞只需几分之一秒就可以转完一个轨道周期。这是使这些类型的引力波更轻易被探测到的另一个身分。







