隨風緣45
廣義相對論認為,質量對時空施加了影響,表現為空間彎曲,而引力就源自於空間的彎曲。當受到引力作用的物體改變自己的形狀時,它們在空間激起陣陣漣漪。這些漣漪經過地球時,我們的局部空間隨之發生“抖動”,即空間被拉伸和擠壓。但是這種效應非常微弱,因為引力是一個弱作用力。如果人們揮動兩個啞鈴,也會發射引力波,但它僅有無窮小的能量。即使是地球圍繞太陽的運動,或者一對恆星的相互繞轉,它們發射的引力波也都達不到可探測的水平。
要想知道引力波是縱波還是橫波,先來了解引力波是如何產生、傳播和被捕捉的。
天文學家考慮,為了能夠捕捉到引力波,一定要選擇比恆星更大質量更強引力的天體,最好選擇涉及黑洞或者中子星的天文事件。
兩個黑洞在形成一個黑洞系統的過程中,它們將逐漸旋進在一起。隨著它們不斷地靠近,周圍的空間越發扭曲,直到合併成一個自旋的黑洞。它攪動著周圍的空間,產生更多的波動,直到平靜下來。這種空間的擺動加速和增強直到黑洞合併,之後漸漸消失,可以被激光干涉引力波天文臺的探測器捕捉到。
當然,黑洞的合併在我們的星系裡很少發生,概率小於每百萬年一次,卻能夠產生足以被LIGO(美國)或者Virgo(意大利)探測器捕捉得到的信號,即便黑洞事件發生在距地球10億光年之遙的地方。要知道,我們已知的數百萬個星系都比它更近。
2016年2月16日,LIGO負責人、加州理工大學教授Daivid Reitze宣佈:人類首次發現了引力波,兩個黑洞相互碰撞,合二為一,並向時空傳遞漣漪。在歷經了13億光年的旅行之後,這些波於2015年9月14日到達地球。位於美國的兩臺巨大的LIGO探測器記錄下了這次微小的引力波振動。下圖是由LIGO記錄到的這個引力波信號GW150914之振幅與時間的關係。
引力波這種“空間密度”漣漪,與穿過一塊被輕輕敲擊顫抖的果凍極為相似,而果凍代表空白的空間。任何天體(包括地球、太陽)對引力波的傳遞是透明無阻礙的。
由於引力波是振源時空本身的扭曲“抖動”向空間的各個方向傳遞,而某個方向上的強度可能會有不同,因此可以認為引力波是一種非典型的球面波。而從其對空間拉伸和壓縮的概念看,引力波在其振源向外輻射的徑向方向上似具縱波的特徵、圓周(切向)方向上又似具橫波的特徵。這就是為什麼LIGO和Virgo需要用兩條水平上相互垂直的長臂探測裝置的原因。
作為廣義相對論的重要結果,引力波的發現被譽為幾十年來最重要的科學突破之一,天文學從此翻開了全新的篇章。
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嚴格的說,橫波和縱波是描述機械波的,引力波並不是機械波,所以一般的物理並不以橫波或者縱波來分類引力波。我們知道,機械波的本質是介質的震動,引力波根本不存在介質,所以也就無所謂橫波或者縱波。
但是,類比來說,我們可以認為引力波是橫波。
先複習一下橫波和縱波的定義
橫波: 震動方向和傳播方向垂直,又叫高低波,是普通人們認知中波的典型形象。
縱波: 震動方向和傳播方向平行,又叫疏密波。最典型的就是聲波。聲波的本質就是空氣反覆壓縮,膨脹形成的疏密波。
那麼,引力波是四維時空的震動。如果強行按照機械波的定義解釋,發生震動的是四維時空,我們可以把四維時空看成是介質。
那麼主要弄明白四維時空震動方向,和引力波傳播方向和角度,就弄明白是橫波還是縱波了。
由於引力波的波動方程涉及到愛因斯坦方程,數學知識要求比較深,這裡就不證明了,簡單的告訴大家結論。
四維空間震動的方向是和引力波傳播方向是垂直的,所以引力波相當於橫波。
這意味著,當粒子處於引力場當中,將發生垂直方向的變化。如下圖
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引力波是根據愛因斯坦的廣義現對論預測發現。那麼到底是縱波還是橫波呢?根據愛因斯坦的理論解釋,引力其實不存在,引力是質量物體引起空間彎曲造成的了。
什麼意思呢?就是三維空間被大質量物質給壓彎了。三維空間壓彎的意思就是三維空間的在xyz方向座標都向物體質心方向收縮。
那麼引力波就很好理解了,相當於球在水裡內外收縮膨脹發出的水波,因此它即不是縱波也不是橫波,而是球面波。
飄飛葉
引力波是感應波,不是直波也不是橫波,是全方位的波
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縱波。
引力根本無法知道詳細結構,所以也就無從談起是橫波。
現在知道的引力波是黑洞級別的合併產生的,是引力向外傳遞時,空間梯度上的變化產生的,所以是縱波。
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準確的講,應該是場波