引力波的傳播速度有多快_引力波傳播是瞬時的嗎_引力波的傳播方向 - 全文

　　引力波的傳播速度有多快

　　引力波如何傳播的

　　以地球如何感受太陽引力為例。一個更確切的圖像是：太陽產(chǎn)生引力波，以光速傳播到地球所在的位置；引力波傳播的同時，也攜帶的另外四個自由度一起傳播；最終在地球所在的位置產(chǎn)生完整的引力場（六個自由度），然后地球感受到這個引力場——當(dāng)然，也包括牛頓引力勢。

　　所以，即便太陽有一天突然消失了，我們也只是在8分鐘后才看到天黑了；同樣，在8分鐘后才感覺地球突然被甩了出去。

　　麥克斯韋在1865年得到電磁波動方程，12年后赫茲證實電磁波的存在。遺憾的是，廣義相對論誕生100年之后的今天，仍然沒有直接探測到引力波。

　　目前測量引力傳播速度的實驗，通常是觀測太陽、地球、月亮系統(tǒng)的重力變化，實際上只是觀測牛頓引力勢的作用時間。當(dāng)然，因為牛頓引力勢總是坐在在引力波這輛跑車上，所以也算是間接測量了引力真正的傳播速度。

　　引力波的傳播速度不能超過光速

　　光速是指光波或電磁波在真空或介質(zhì)中的傳播速度。真空中的光速是目前所發(fā)現(xiàn)的自然界物體運動的最大速度。它與觀測者相對于光源的運動速度無關(guān)，即相對于光源靜止和運動的慣性系中測到的光速是相同的。物體的質(zhì)量將隨著速度的增大而增大，當(dāng)物體的速度接近光速時，它的質(zhì)量將趨于無窮大，所以有質(zhì)量的物體達到光速是不可能的。只有靜止質(zhì)量為零的光子，才始終以光速運動著。光速與任何速度疊加，得到的仍然是光速。速度的合成不遵從經(jīng)典力學(xué)的法則，而遵從相對論的速度合成法則。

　　在物理學(xué)中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結(jié)果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當(dāng)中，因為牛頓的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無限的。

　　引力波傳播是瞬時的嗎

　　引力波的傳達究竟是否是瞬間呢，很多人都疑難這個，但是答案肯定是否定的。

　　若何引力波的傳達是瞬間的而沒有是光速的話，會導(dǎo)致宇宙中所有引力場的繚亂，譬喻單個年夜行星會由于遠處一個原本距離適中的質(zhì)量超小星系的引力所孕育發(fā)生的潮汐力而破碎。引力場的傳達速率的具有可導(dǎo)致碩大星系外部引力場的一局部小我平衡，倘使速率密切有限小則會導(dǎo)致“等效事理”極限化，前因顯而易見。

　　倘使碩大星系外部所有星體絕對靜止，引力場的傳達速率也就失落去了宏觀意思，但實踐中沒有具有這類碩大星系。

　　引力波也稱重力波，引力波是愛因斯坦狹義絕對論所預(yù)言的一種以光速傳達的時空波動，是時空曲率的擾動以行進波的內(nèi)容向別傳遞的一種體式格局。猶如電荷被放慢時會收回電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被放慢時就會收回引力輻射，這是狹義絕對論的一項主要預(yù)言。引力波與流膂力學(xué)中的重力波很相似，當(dāng)液體皮相或者外部液團因為密度不同來到原本職位地方，正在重力（gravity force）以及浮力（buoyancy force）的綜協(xié)作用下，液團會處于上下震撼以抵達均衡的狀況。即孕育發(fā)生波動。引力波則是因為空間質(zhì)量以及速率的更動導(dǎo)致空間孕育發(fā)生的波動。

　　LIGO正在2016年2月11日宣告“探測到引力波的具有”。引力波的創(chuàng)造意思重小，從迷信意思上看，引力波可以直截與宇宙小爆炸毗鄰。狹義絕對論中預(yù)言的引力波也能夠孕育發(fā)生于宇宙小爆炸中，這即是說小爆炸之初的引力波正在137億年后的今日仍舊可以探測到。一旦創(chuàng)造了宇宙小爆炸時代的引力波，就能夠揭開宇宙的各類謎團，以至相識宇宙的初階以及運轉(zhuǎn)機制。

　　引力波的傳播方向

　　引力波是橫波。首先簡單來說：

　　通常對于有質(zhì)量的場而言，對應(yīng)的粒子運動的速度是小于光速的，所以我們總可以找一個和粒子相對靜止的參考系來看問題（Lorentz boost）。 這時粒子的四動量為. 尋找自由度來自于尋找粒子具有的獨立的狀態(tài)，來自于尋找在此參考系下，保持此四動量不變的群操作。這個群操作是洛倫茲群的子群?？梢钥闯霰３执瞬僮鞑蛔兊娜海ㄒ步衛(wèi)ittle group）是所有空間轉(zhuǎn)動組成的群也就是SO（3）。 根據(jù)高等量子力學(xué)的知識，自旋為j的粒子在SO（3）的對稱性下有（2j+1）個自旋態(tài)。而對于無質(zhì)量的場而言，它的運動速度必然是光速，所以無法通過一個boost找到一個和它相對靜止的參考系。這樣四動量最多可以寫成。

　　所以保持此矢量不變的對稱群是ISO（2），可以理解成繞著運動的那個軸的軸對稱群。這時描述它的態(tài)只有2個。所以形象的理解就是無質(zhì)量粒子的縱向的自由度被凍結(jié)掉了，留下的只有橫向的自由度，而橫向的自由度對應(yīng)于經(jīng)典物理我們通常說它具有橫向的偏振態(tài)，所以無論是光子還是引力子都是以光速運動的粒子所以只有2個偏振態(tài)，所以都是橫波。其物理的來源在于小群的不同。

　　當(dāng)然如果懂一點點群論的人而言，還有可以更加清晰的解釋。

　　根據(jù)Wigner定理，一種粒子的狀態(tài)總是和Poincare群（ 3個轉(zhuǎn)動，3個洛倫茲變換（boost），4個平移）的表示相聯(lián)系的。

　　而在研究群的表示的時候，我們總是喜歡尋找卡西米爾算子，也就是和一個群的所有生成元都對易的算子，這個算子的本征值就是區(qū)分有多少種物理粒子態(tài)。

　　比如在角動量理論中，角動量的平方就是，，的卡西米爾算子，我們都知道其具有（2j+1）個本征態(tài)。

　　而在有質(zhì)量的場論來說呢？我們的任務(wù)也是尋找卡西米爾算子，對于有質(zhì)量的場論，我們可以找到兩個卡西米爾算子 ， 四動量的平方和泡利魯班斯基矢量的平方。泡利魯班斯基矢量定義說起來有點煩，與自旋關(guān)系密切，現(xiàn)在理解成自旋就行。這樣通過這兩個卡西米爾算子的本征值就可以區(qū)分粒子態(tài)了。的本征值是，關(guān)于這一類龐加萊群表示的分類知乎上已經(jīng)有非常好的回答了。對于特定的，如果粒子具有自旋s，還可以由另外一個卡西米爾算子的本征值分成2s+1個自旋態(tài)。一切看上去so far so good.

　　但是如果對于沒有質(zhì)量的場（電磁場，引力場）， 那么我們就會發(fā)現(xiàn)，上面兩個卡西米爾算子的本征值都是0，這樣它們就都不能用了。所以為了給龐加萊群表示分類，我們需要尋找新的洛倫茲不變量，新的洛倫茲不變量就是螺旋度（helicity）， . 也就是自旋在運動方向上的投影。這個卡西米爾算子對于自旋為s的態(tài)只具有s，-s兩個本征值，所以只能把它分成兩個狀態(tài)，對應(yīng)于兩個偏振態(tài)。于是對于電磁場，引力場等無質(zhì)量場，只具有橫波自由度了。

　　這時，就會發(fā)現(xiàn)這好像和規(guī)范對稱性有所聯(lián)系了，因為電磁場和引力場之所以自由度被限定成了2個，是因為我們選定了恰當(dāng)?shù)囊?guī)范條件。比如電磁場的庫倫規(guī)范，關(guān)于引力波的規(guī)范問題我在我關(guān)于引力波的那個回答里也提到過。而且只有無質(zhì)量場具有規(guī)范不變性（關(guān)于規(guī)范場粒子的質(zhì)量是來自對稱性破缺），所以也可以把剛才的若干討論看作是規(guī)范不變性的起源。

　　注意在量子力學(xué)（經(jīng)典力學(xué)）中，規(guī)范對稱性通常不認為是對稱性，因為量子力學(xué)中物理狀態(tài)利用希爾伯特空間的矢量描述，因為規(guī)范對稱性相聯(lián)系的兩個狀態(tài)實際上是相同的，而對稱性描述的兩個狀態(tài)是不同的通過對稱性相互聯(lián)系。這里通過量子力學(xué)來說明，經(jīng)典力學(xué)中同樣規(guī)范對稱性也不是對稱性。一個很有誤導(dǎo)性的說法是，電磁場的U（1）整體規(guī)范對稱性根據(jù)諾特爾定理帶來了電荷守恒，容易讓我們誤導(dǎo)規(guī)范對稱性具有守恒流，從而是一個對稱性。實際上這個說法應(yīng)該改為“整體對稱性根據(jù)諾特爾（第一）定理帶來了電荷守恒”，整體對稱性是系統(tǒng)的對稱性而不屬于規(guī)范對稱性。

　　延伸閱讀：什么是橫波，如何判斷橫波的方向

　　什么是橫波：橫波的特點是質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直。在橫波中波長通常是指相鄰兩個波峰或波谷之間的距離。

　　如何判斷橫波的方向：

　　知道某點的振動方向，那么傳播方向要么是左要么是右，對吧。看哪個傳播方向與振動方向在波形的同一側(cè)，那個就是波的傳播方向。經(jīng)驗，從來沒判斷錯過。