引力波有什么作用?

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“引力波”这个名称可能没那么准确,不过也没有更好的叫法了。 引力波的本质是时空的波动,由爱因斯坦方程组的解产生的。你可以把解展开成复数形式,然后把某个点看作是坐标原点,那么任何其他点的位置都可以表示成一个位矢 r,它的模就是该点到原点的距离。然后你可以让原点随时间移动,这样 r 和时间一起就可以完全确定一个点的行为。

当然,你也可以把另外一个点当成原点,这样所有点的位置变化就可以用另一个时间的导数来表示,如此可以把整个宇宙的全部信息都包含在一个二维函数的一个导数里。这种函数称为爱因斯坦方程组的解。如果加上物质场(比如引力场)和能量的条件,解的形式会大大简化,但本质仍然成立。 引力波的概念就是这样来的——当原点运动时,它会在空间产生波纹,这被称为引力波。你甚至可以类比电磁波,想象一下有引力波波纹的以太。

事实上,因为光速极限的存在,相对论中不存在超光速的现象,也就是说不可能有像电荷那样存在的质量中心。所以相对论中不存在类似于电磁波的东西。 但是如果我们抛开绝对速度的问题,把物体运动造成的速度改变看做是相对于某一参考系的速度,从而可以理解作电磁现象中的电荷移动生成电流从而产生电磁波的过程的话,我们就可以在相对论的背景下引入引力波的存在了。

由于引力的传递不需要任何介质,因此它可以以光速传播。而且因为没有参照质量的存在,所以不会造成多普勒效应,传播频率永远不会变化。 这时候引力波可以被理解为时空的波动,它携带了全部关于空间和时间的资讯。 如果说广义相对论给了引力波一个概念上的基础,那量子力学则从另一个角度赋予了它意义。 量子力学的伟大之处在于它能够提供微观世界的一套完备的理论,由此我们可以解释许多微观乃至宏观的物理现象。但它也有一个不可克服的难题,那就是不确定性原理使得我们无法同时精确测量物体的位置和速度,也就是无法同时精确确定物体在时空中的位置。

尽管我们不相信上帝粒子,但我们必须接受不确定原理。如果不加考虑地把它应用到实际问题的分析当中去,我们将面临一系列无法解决的问题。比如两个相距很近的物体如何确保他们不会相撞?它们之间的引力波如何能彼此不影响地传过来? 一个可能的解决方案就是承认存在某种媒介,它使得引力波能够传输而不会互相干扰。一种可能性就是光子,另一种就是某种未知的媒子。

不论是什么情况,这意味着引 力波是一种有可能被探测到的物质或能源形式。

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