引力波是什么(引力辐射是什么？)-特纳普生活圈

爱因斯坦的广义相对论中最令人惊异的一个预言是：不仅存在着物质、辐射和其他呈粒子形式的能量，而且也存在着引力辐射或者说是时空结构中的基本“涟漪”。这是最难理解的事物之一，帕特伦的支持者罗伯特·汉森想知道更多关于：

引力波是以光速传播的微小的时空扰动。然而，时空可以比光速更快的扩张和收缩。压缩波的定义是紧跟在收缩后的扩张所产生的波。这似乎产生了一个悖论：引力波以光速传播，但似乎有一种理解它们是超光速的，如何解释这一明显的悖论？

首先，让我们从这种辐射（及其产生方式）本身的概念开始。

图片来源：美国国家航空航天局和哈勃遗产团队（空间望远镜研究所 / 大学天文研究联合组织），是来自M87星系的由带电粒子加速产生的相对论射流。

在电磁理论中——甚至在经典电磁理论中——产生电磁辐射只需要两个条件：一个是带电粒子、一个是其穿过的磁场。该粒子可以带正电（如质子），也可以带负电（如电子），如果它通过磁场，则磁场将会加速此粒子，从而使其沿圆形或螺旋形的路径运动。

磁场越强，粒子初速度越大，荷质比越大，则粒子的加速度（或运动的变化）越大。

图片来源：欧南台/左. 卡萨达，一颗脉冲星绕着其双星同伴运行，在时空中产生了引力波（或引力涟漪）

但是像这样的相互作用，既需要保持能量，又需要保持动量。而在作用过程中，只要电荷因外部磁场加速，那么它就一定会发出辐射，电磁学正是以这样的方式发挥作用。这种（电磁形式的）辐射以光子的形式出现，根据其产生方式的不同，可以分为为阻尼、回旋加速器或同步加速器辐射。

在牛顿经典物理学中，没有中立辐射之类的东西，但是爱因斯坦的广义相对论改变了这一切。巨大的辐射源——像粒子之类的东西——类似于引力电荷，然而空间的弯曲结构本身就类似于引力场。在恒星，白矮星，中子星或黑洞存在的情况下，每当大质量的粒子通过弯曲的空间时，该空间可能会严重弯曲，它将发出类似电磁辐射的东西：引力辐射。

图片来源：托德·斯特罗迈耶（戈达德宇宙飞行中心），通缩公链体系，美国国家航空航天局——插图：丹娜·贝里（通缩公链体系）。

这种新的辐射形式既不是光子也不是任何其他形式的微粒辐射，而是在空间结构本身形成的涟漪：引力波。对于像地球这样质量的绕太阳运行的行星来说，其产生引力辐射，小到需要大约10 ^ 140宇宙年才能明显地改变轨道，所以我们永远都不会看到它。但是对于质量更大、距离更近而且场更强的系统，作用的结果则会更加巨大：诸如脉冲星双星系统、绕着我们银河系中心的超大质量黑洞或者甚至正在合并的黑洞系统。在这些情况下，可以观察到轨道衰减，而且因为使能量守恒，我们知道某些物质一定会散发出来。

空间中独一无二：当两个中子星开始围绕一个共同的重心旋转时，他们发出了引力波（左）。因为这会导致两个中子星持续地失去一部分轨道能量，他们在螺旋形轨道上互相缓慢靠近，并且环绕周期变短。右图显示了双脉冲星PSR j0737-3039的一些条件。

该“物质”是引力辐射（又称引力波）无疑，并且由于对脉冲星双星系统的观察，我们知道引力辐射的速度必须等于光速，可以精确到0.2％！换句话说，引力波的涟漪实际上以与光子相同的速度在空间中移动。二者主要区别在于：在引力辐射的情况下，这些涟漪是空间结构本身所固有的。

由快速绕行的恒星（中子星、白矮星或黑洞）产生的时空涟漪。图片来源：美国国家航空航天局。

那么，回到罗伯特最初的问题，当这些涟漪不是在（近乎）静态空间中产生的，而是在膨胀的宇宙中产生的时候，又会发生什么？答案是：它们会像光子一样被拉伸而且受到宇宙膨胀的影响。

当光子在膨胀的宇宙中传播时，它们的波长随着空间结构的膨胀而拉伸。它们的数量（和能量）密度会稀释，尽管它们总是以光速传播，但发射源和观测接收器之间的距离会改变。例如，大约是138亿年前，就在大爆炸开始时，在膨胀结束后10^-33秒：

今天到达我们这里的光子，在138亿年前离我们只有100米远。

经过138亿光年的旅程穿过膨胀的宇宙，这颗光子将旅行138亿年，并将其波长拉伸大约28个数量级。

今天到达我们这里的光子，其发射地点将会距离我们461亿光年。

听起来很疯狂？好吧，引力波也是同样的！引力波也必须穿过膨胀的宇宙，也必须以光速穿过空间（无论空间是膨胀的、收缩的还是静止的），其波长的拉伸方式与光子的拉伸方式完全相同。引力波“驾驭”空间结构，就像水波“驾驭”水面一样；如果有一块石头掉进河里，涟漪不仅仅是径向向外移动，它们在向外移动的同时也顺流而下。

图片来源：来自罗马尼亚的巴乔，属于c.c.-2.0的通用商标。

空间结构中的引力波有些类似于：涟漪以它们的固有速度（即光速c）在介质中移动，但有时介质本身也会移动。但是这并不意味着引力波的速度超越了光速或者说比光子的速度快，事实上当过了138亿年时，它们仅仅行进了距离其起点460亿光年的路程；引力波的速度的确如人们所设想的那样。请注意，将其类比成压缩后再进行稀疏化实际上是一个非常非常好的形式。传播过来的引力波将以非常特殊的方式拉伸和压缩空间结构（及其中的所有物质/粒子），从而扭曲空间结构。