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为什么引力以光速传播?

正如物理学中的许多事物一样,这与爱因斯坦的广义相对论有关。

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两颗中子星碰撞;产生的引力波以光速传播。图片来源:国家科学基金会/LIGO/索诺玛州立大学/A. Simonne

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两颗恒星的死亡核心在1.3亿年前于一个遥远的星系中碰撞。

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这次碰撞非常剧烈,它在时空中引起了一个皱纹——一个引力波。那个引力波和恒星爆炸的光一起穿越了宇宙。它们于8月17日东部时间上午6点41分同时到达地球。

这一事件促成了“多信使天文学”的曙光,引发了全球范围内的头条新闻。天文学家们已经等待了一代人的时间来见证这一时刻。但这也是引力以光速传播的首次直接证实。

引力的速度

我们都知道光有一个速度限制——大约每秒186,000英里。没有什么东西比这更快。但为什么引力应该以同样的速度传播呢?

这个问题需要快速深入地研究阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论,也就是引力理论——与一个世纪前预测引力波的理论相同。

爱因斯坦推翻了艾萨克·牛顿的“绝对时间”的观点。牛顿认为时间以相同的速度向前推进,无论我们凡人如何感知它。它是坚定不移的。按照这种思路,地球上的一秒钟和黑洞附近的一秒钟(他并不知道黑洞的存在)是一样的。

牛顿还认为引力是瞬间作用的。距离无关紧要。

一切皆相对

但后来爱因斯坦证明时间是相对的。它随着速度和引力的存在而变化。由此产生的结果之一是,你不能同时进行超距作用。因此,任何信息都有一个有限的速度,无论是光子——携带光的粒子——还是引力子,它携带引力。

“在相对论中,有一个‘信息速度’——你可以将信息从一个点发送到另一个点的最大速度,”威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家Jolien Creighton说,她是广义相对论的专家,也是最早发现引力波的LIGO团队的成员。

Creighton解释说,在电磁学中,当你摇动一个电子时,它会在电场中产生一个变化,这个变化以光速传播。引力也是如此。摇动一个质量,引力场的变化——引力波——以同样的速度传播。

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“所以引力波的速度等于电磁波的速度,这仅仅是因为它们都以信息的速度传播,” Creighton说。

也有一个简单的方法来想象这一点。想象一下太阳现在消失了。地球不会立即漂浮到太空中。八分钟后,地球将变暗,同时直线离开。

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