引力波可以超越光速嗎?


首先,讓我們從這種輻射(及其產生方式)本身的概念開始 。


引力波可以超越光速嗎?

圖片來源:美國國家航空航天局和哈勃遺產團隊(空間望遠鏡研究所 / 大學天文研究聯合組織),是來自M87星系的由帶電粒子加速產生的相對論射流 。
在電磁理論中——甚至在經典電磁理論中——產生電磁輻射只需要兩個條件:一個是帶電粒子、一個是其穿過的磁場 。該粒子可以帶正電(如質子),也可以帶負電(如電子) , 如果它通過磁場,則磁場將會加速此粒子,從而使其沿圓形或螺旋形的路徑運動 。
磁場越強,粒子初速度越大,荷質比越大,則粒子的加速度(或運動的變化)越大 。
引力波可以超越光速嗎?

圖片來源:歐南臺/左. 卡薩達,一顆脈沖星繞著其雙星同伴運行,在時空中產生了引力波(或引力漣漪)
但是像這樣的相互作用 , 既需要保持能量,又需要保持動量 。而在作用過程中,只要電荷因外部磁場加速,那么它就一定會發出輻射 , 電磁學正是以這樣的方式發揮作用 。這種(電磁形式的)輻射以光子的形式出現,根據其產生方式的不同 , 可以分為為阻尼、回旋加速器或同步加速器輻射 。
在牛頓經典物理學中,沒有中立輻射之類的東西,但是愛因斯坦的廣義相對論改變了這一切 。巨大的輻射源——像粒子之類的東西——類似于引力電荷 , 然而空間的彎曲結構本身就類似于引力場 。在恒星,白矮星,中子星或黑洞存在的情況下 , 每當大質量的粒子通過彎曲的空間時,該空間可能會嚴重彎曲,它將發出類似電磁輻射的東西:引力輻射 。

引力波可以超越光速嗎?

圖片來源:托德·斯特羅邁耶(戈達德宇宙飛行中心) , 通縮公鏈體系,美國國家航空航天局——插圖:丹娜·貝里(通縮公鏈體系) 。
這種新的輻射形式既不是光子也不是任何其他形式的微粒輻射 , 而是在空間結構本身形成的漣漪:引力波 。對于像地球這樣質量的繞太陽運行的行星來說,其產生引力輻射,小到需要大約10 ^ 140宇宙年才能明顯地改變軌道,所以我們永遠都不會看到它 。但是對于質量更大、距離更近而且場更強的系統,作用的結果則會更加巨大:諸如脈沖星雙星系統、繞著我們銀河系中心的超大質量黑洞或者甚至正在合并的黑洞系統 。在這些情況下,可以觀察到軌道衰減,而且因為使能量守恒,我們知道某些物質一定會散發出來 。
引力波可以超越光速嗎?

空間中獨一無二:當兩個中子星開始圍繞一個共同的重心旋轉時,他們發出了引力波(左) 。因為這會導致兩個中子星持續地失去一部分軌道能量,他們在螺旋形軌道上互相緩慢靠近,并且環繞周期變短 。右圖顯示了雙脈沖星PSR j0737-3039的一些條件 。
該“物質”是引力輻射(又稱引力波)無疑,并且由于對脈沖星雙星系統的觀察,我們知道引力輻射的速度必須等于光速,可以精確到0.2%! 換句話說,引力波的漣漪實際上以與光子相同的速度在空間中移動 。二者主要區別在于:在引力輻射的情況下,這些漣漪是空間結構本身所固有的 。

引力波可以超越光速嗎?

由快速繞行的恒星(中子星、白矮星或黑洞)產生的時空漣漪 。圖片來源:美國國家航空航天局 。
【引力波可以超越光速嗎?】那么,回到羅伯特最初的問題,當這些漣漪不是在(近乎)靜態空間中產生的,而是在膨脹的宇宙中產生的時候,又會發生什么?答案是:它們會像光子一樣被拉伸而且受到宇宙膨脹的影響 。
當光子在膨脹的宇宙中傳播時,它們的波長隨著空間結構的膨脹而拉伸 。它們的數量(和能量)密度會稀釋 , 盡管它們總是以光速傳播,但發射源和觀測接收器之間的距離會改變 。例如,大約是138億年前,就在大爆炸開始時,在膨脹結束后10^-33秒:
今天到達我們這里的光子 , 在138億年前離我們只有100米遠 。
經過138億光年的旅程穿過膨脹的宇宙,這顆光子將旅行138億年,并將其波長拉伸大約28個數量級 。
今天到達我們這里的光子,其發射地點將會距離我們461億光年 。
聽起來很瘋狂?好吧 , 引力波也是同樣的!引力波也必須穿過膨脹的宇宙,也必須以光速穿過空間(無論空間是膨脹的、收縮的還是靜止的),其波長的拉伸方式與光子的拉伸方式完全相同 。引力波“駕馭”空間結構 , 就像水波“駕馭”水面一樣;如果有一塊石頭掉進河里,漣漪不僅僅是徑向向外移動 , 它們在向外移動的同時也順流而下 。
引力波可以超越光速嗎?

圖片來源:來自羅馬尼亞的巴喬,屬于c.c.-2.0的通用商標 。
空間結構中的引力波有些類似于:漣漪以它們的固有速度(即光速c)在介質中移動,但有時介質本身也會移動 。但是這并不意味著引力波的速度超越了光速或者說比光子的速度快,事實上當過了138億年時 , 它們僅僅行進了距離其起點460億光年的路程;引力波的速度的確如人們所設想的那樣 。請注意,將其類比成壓縮后再進行稀疏化實際上是一個非常非常好的形式 。傳播過來的引力波將以非常特殊的方式拉伸和壓縮空間結構(及其中的所有物質/粒子) , 從而扭曲空間結構 。
引力波可以超越光速嗎?

但是 , 無論空間結構本身是在:擴展,收縮或保持靜止,以光速在宇宙中傳播的方式是都最快的 。這就是那悖論的解釋:無論你如何改變引力波正在穿過的空間結構,它們都以光速行進!

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