首頁 牛津通識課:黑洞、光、行星、引力

04 引力波

我們在第3章曾經提到過引力波(gravitational waves)。現在我們來詳細地討論它。第1章講過,在愛因斯坦的理論中,引力產生於時空彎曲。恒星或行星這樣的大質量天體使它們周圍的時空發生彎曲,導致其他的一些物體從它們旁邊經過時軌道發生偏折。如果錯誤地認為這些東西在平直時空中運動,我們就會以為存在一種叫做引力的東西。實際上這一切都是時空彎曲導致的。

引力波和時空彎曲有關。如果一組大質量天體之間有相對運動(比如太陽係、脈衝雙星係統等),那麽它們周圍時空的彎曲就不是一成不變的。有質量物體導致了時空彎曲,所以如果這些物體在運動,那麽時空的形態也會不停變化。描述這一情況更科學的說法是:在愛因斯坦的理論中,時空是動態的。

我們用前麵討論過的超新星作例子來解釋這一點。在它們的核心坍縮導致災難性的爆炸之前,它們就像我們的太陽一樣,是比較穩定的天體。因此,在這一階段,它們周圍的時空彎曲方式應該和太陽周圍是一樣的,也就是說,和太陽周圍的引力場相似。它們爆發之後最終會形成中子星或黑洞,再一次回到相對穩定的狀態,此時引力場便不隨時間變化。爆炸的時候,它們會往外噴射巨大的質量和能量。它們的引力場,也就是周圍的時空彎曲在這段時間發生著劇烈的變化。

和很多係統從平衡狀態轉變為快速變化狀態時的情況類似,超新星爆發產生了一種波形式的擾動。用更加接地氣的例子作類比,就像你往平靜的水池裏扔一塊石頭,落水位置的池水會從穩定狀態開始迅速變化。池水希望可以回到它最先平靜的狀態,這導致了一種向外傳播的擾動,這種擾動以波紋的形式從石頭落入的位置向外擴散。相似地,原本安靜的房間裏突然出現的響亮的噪聲會引起房裏各點的大氣壓力的改變。由於空氣試圖回到穩定狀態,氣壓的擾動也會以壓力波的形式向外傳播,這種壓力波叫聲音。