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引力波的速度是多少

引力波的速度是多少?

謝謝邀請(qǐng),回答這個(gè)問題之前,我們先來了解一下與引力波有關(guān)的內(nèi)容。

在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中,引力被認(rèn)為是時(shí)空彎曲的一種效應(yīng)。這種彎曲是因?yàn)橘|(zhì)量的存在而導(dǎo)致。通常而言,在一個(gè)給定的體積內(nèi),包含的質(zhì)量越大,那么在這個(gè)體積邊界處所導(dǎo)致的時(shí)空曲率越大。當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體在時(shí)空當(dāng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,曲率變化反應(yīng)了這些物體的位置變化。在某些特定環(huán)境之下,加速物體能夠?qū)@個(gè)曲率產(chǎn)生變化,并且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現(xiàn)象被稱之為引力波。1687年為牛頓所發(fā)現(xiàn)自然界中任何兩個(gè)物體都是相互吸引的,任意兩個(gè)物體之間的引力的大小與這兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比例,而與它們之間的距離的平方成反比。如果用m1、m2表示兩個(gè)物體的質(zhì)量,r表示它們間的距離,則物體間相互吸引力為F=(G*m1*m2)/r^2,G稱為萬(wàn)有引力常數(shù)。

這就是著名的萬(wàn)有引力定律 ,從萬(wàn)有引力定律中可以看出并未說明引力的速度,也可以認(rèn)為引力是超距的。

萬(wàn)有引力常數(shù)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理常數(shù),用于計(jì)算兩個(gè)物體間的引力大小,一般用大寫G表示。

下面的圖是一個(gè)卡文迪許扭秤的模型扭秤的主要部分是這樣一個(gè)T字形輕而結(jié)實(shí)的框架,把這個(gè)T形架倒掛在一根石英絲下。若在T形架的兩端施加兩個(gè)大小相等、方向相反的力,石英絲就會(huì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。力越大,扭轉(zhuǎn)的角度也越大。反過來,如果測(cè)出T形架轉(zhuǎn)過的角度,也就可以測(cè)出T形架兩端所受力的大小。在T形架的兩端各固定一個(gè)小球,再在每個(gè)小球的附近各放一個(gè)大球,大小兩個(gè)球間的距離是可以較容易測(cè)定的。根據(jù)萬(wàn)有引力定律,大球會(huì)對(duì)小球產(chǎn)生引力,T形架會(huì)隨之扭轉(zhuǎn),只要測(cè)出其扭轉(zhuǎn)的角度,就可以測(cè)出引力的大小。當(dāng)然由于引力很小,這個(gè)扭轉(zhuǎn)的角度會(huì)很小。怎樣才能把這個(gè)角度測(cè)出來呢?卡文迪許在T形架上裝了一面小鏡子,用一束光射向鏡子,經(jīng)鏡子反射后的光射向遠(yuǎn)處的刻度尺,當(dāng)鏡子與T形架一起發(fā)生一個(gè)很小的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),刻度尺上的光斑會(huì)發(fā)生較大的移動(dòng)。這樣,就起到一個(gè)化小為大的效果,通過測(cè)定光斑的移動(dòng),測(cè)定了T形架在放置大球前后扭轉(zhuǎn)的角度,從而測(cè)定了此時(shí)大球?qū)π∏虻囊???ㄎ牡显S用此扭秤驗(yàn)證了牛頓萬(wàn)有引力定律,并測(cè)定出引力常量G的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值與近代用更加科學(xué)的方法測(cè)定的數(shù)值是非常接近的。

在1916年,愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對(duì)論洛倫茲不變性的結(jié)果,因?yàn)樗肓讼嗷プ饔玫膫鞑ニ俣扔邢薜母拍?。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?yàn)榕nD的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無(wú)限的。

再來看一下與引力波有關(guān)的幾次探測(cè)事件。

2015年9月14日,人類首次探測(cè)到引力波信號(hào),由質(zhì)量分別相當(dāng)于29個(gè)、36個(gè)太陽(yáng)的兩個(gè)黑洞合并時(shí)發(fā)出,距離地球大約13億光年。

2015年12月26日,LIGO的兩個(gè)探測(cè)器再次記錄到了新的引力波信號(hào),并合的兩個(gè)黑洞質(zhì)量分別相當(dāng)于8個(gè)和14個(gè)太陽(yáng),距離地球大約14億光年。

2017年1月4日,LIGO宣布,他們已經(jīng)第三次探測(cè)到了引力波,依然由兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生,質(zhì)量分別為太陽(yáng)的62倍和21倍,距離地球大約30億光年。

2017年8月14日,LIGO引力波天文臺(tái)、意大利的Virgo引力波天文臺(tái),同時(shí)探測(cè)到了一束引力波,兩個(gè)黑洞質(zhì)量分別為太陽(yáng)的31和25倍,距離地球約18億光年。

如果在探測(cè)到引力波信號(hào)的同時(shí)(或稍有時(shí)間差)探測(cè)到對(duì)應(yīng)的伽馬射線暴則可以說明引力波的速度,幾上幾次只是兩個(gè)黑洞合并的引力波信號(hào),由于無(wú)法探測(cè)到相應(yīng)的伽馬射線暴所以并不能說明引力波的速度是多少。

北京時(shí)間2017年10月16日22點(diǎn),美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)召開新聞發(fā)布會(huì),宣布激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和室女座引力波天文臺(tái)(Virgo)于2017年8月17日首次發(fā)現(xiàn)雙中子星合并引力波事件(編號(hào)GW170817),與前幾次不同的是,這一次是雙中子星合并而不是雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波。本次是雙中子星合并產(chǎn)生的引力波信號(hào),伴隨的伽馬射線暴并不是很顯著。也可以說引力波的速度大約是光速目前還不能被現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)充分的證明。

對(duì)于LIGO探測(cè)引力波的精度與原理應(yīng)該是沒有問題的,但對(duì)于LIGO探測(cè)引力波時(shí)如何排除其它引力源產(chǎn)生的干擾,是有疑惑的。以2015年9月14日LIGO探測(cè)到引力波信號(hào)為例:

太陽(yáng)的質(zhì)量是1.9891*103?千克,為方便計(jì)算取2*10^30千克。

一光年是9460730472580800米,為方便計(jì)算,取值為9.46*10^15米。

一億光年是9.46*10^23米

13億光年大約為123*10^23米

萬(wàn)有引力計(jì)算公式是F=G·m?·m?/r^2。這兩個(gè)黑洞對(duì)地球上1千克的一個(gè)球的引力是G(29+36)*2*10^30 * 1 / (123 * 10 ^ 23 * 123 * 10 ^ 23) = 130 * 10 ^ 30 * G / (15129 * 10 ^ 46)

大約是0.86 * 10 ^ (-18) * G

那么兩個(gè)1千克的物體A和B,還有一個(gè)是十三億光年以外的一個(gè)大黑洞C,C的質(zhì)量是65個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。將A放在LIGO內(nèi),那么B要放多遠(yuǎn)才能使AB之間的萬(wàn)有引力的大小與AC之間的萬(wàn)有引力差不多呢?

如果A與B相距10^9米的引力是10^(-18) * G, 也就是說兩個(gè)1千克的物體相距10的9次方米之間的萬(wàn)有引力比上面兩個(gè)黑洞對(duì)地球上1千克物體造成的引力稍大一些,估且就認(rèn)為是一樣的吧。也就是說A與B相距100萬(wàn)公里時(shí),AB之間的萬(wàn)有引力與AC之間的萬(wàn)有引力差不多。

如果A與B相距10萬(wàn)公里,A質(zhì)量不變(還是1千克),B的質(zhì)量是多少AB的萬(wàn)有引力是10^(-18) * G呢,可以很容易算出B的質(zhì)量是10克。依次類推,如果AB的距離是1萬(wàn)公里B就是100毫克,1000公里是1毫克,100公里是10微克。

上面這個(gè)例子是說,LIGO要探測(cè)到13億光年左右兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的引力波,就需要排除距離LIGO一百公里左右兩個(gè)10微克的物質(zhì)產(chǎn)生的“引力波”的干擾……

結(jié)論就是:引力波的速度到底是多少,現(xiàn)在的探測(cè)還真的不能很充分的證明。只能說按目前的主流說法是引力波的速度大約等于光速,謝謝閱讀。