引力波就隐藏在潮汐中，我们看不到引力波却能间接感知到引力涟漪

wenxuefeng360 2019-12-17

展开全文

当我们到海边玩耍时，可以看到波浪起起伏伏，一天不同的时间内海水的水位会发生变化，这就是潮汐现象。传统的牛顿引力理论认为潮汐是由月球的引力引起的，但是当代的物理学家认为月球引力说存在科学漏洞，并试图证明爱因斯坦的引力波理论才是潮汐产生的原因。

引力波发现史

这是令全世界激动的一天，2016年2月，一个国际物理学家团队宣布首次直接观测到引力波。这些波是由一对黑洞的巨大碰撞产生的，每个黑洞的质量大约是太阳的30倍，这种碰撞是如此剧烈，以至在时空结构中产生了涟漪。而这种类似水塘中的涟漪就被称为引力波。一年之后引力波的发现者便获得了诺贝尔物理学奖。

引力波的发现是物理学界的一大胜利，但是很早之前爱因斯坦就在广义相对论中预言引力波的存在。发现引力波的团队也早就知道，爱因斯坦的广义相对论暗示时空波动是可能的。这些波压缩和拉伸空间的距离小于质子的宽度。为了发现它们，物理学家们建造了一个超级灵敏的探测器网络，花费了超过10亿美元。因此，2016年第一次引力波的发现既是一种解脱，也是一个重大的成功。但是发现了引力波后还是遗留下一些困惑给物理学家，引力波到底是什么，它有怎样有趣的性质，我们平常人能看到引力波么？

引力波藏在海水中

就当人们在讨论如何看到或感知到引力波时，两位物理学家已经得到了答案，引力波一直隐藏在人们的视线之中。夸祖鲁-纳塔尔大学的里特帕尔诺·戈斯瓦米和开普敦大学的乔治·埃利斯如今都在南非，他们用一些数学魔术来证明潮汐力是引力波。这两者都是相同的力量，导致海平面上升和下降，因为月球绕地球运行。潮汐力实际上是引力波的一种隐藏形式。但是我们平常并不知道或者并不可能感觉到，不过潮汐力是否真的是引力波的隐藏形式呢？我们平时不是认为潮汐是月球引力产生的么？

戈斯瓦米和埃利斯认为潮汐并不是月球引力产生的。爱因斯坦预言的引力波和牛顿的万有引力定律是不同的。牛顿的万有引力理论是基于这样一种观点：所有的质量都会产生一种吸引其它物质的引力，这种引力解释了各种各样的现象：如苹果下落的轨迹，行星围绕太阳的运动，当然也有平常人们看到的潮汐。

牛顿的理论可以解释潮汐。潮汐都是引力随距离变化的结果：地球面向月球的一侧受到的引力略大于背向月球的一侧，其结果是一种拉伸，在地球旋转时将海洋拉来拉去，所以海水便有了潮涨潮落。但是有科学家质疑牛顿引力背景下的潮汐力。

戈斯瓦米和埃利斯一开始就指出，牛顿的理论没有解释一个重要的物理定律：没有任何东西的速度可以超过光速，即使是万有引力。所以月球的引力到达地球需要时间，那么在月球引力到达地球之前的这短短几秒钟内潮汐力是如何存在的？没有任何物质的传播速度能超过光速，潮汐的影响也不可能是瞬时的。既然牛顿的引力理论面对潮汐出现了漏洞，这就为物理学家的才能发挥施展了空间。

爱因斯坦首先在他的狭义相对论中阐述了宇宙速度极限，后来又把它纳入到他的广义理论中，他的广义理论把重力描述成一种扭曲的时空结构。这立即导致了这样一种想法，即这种扭曲的时空结构可以支持类似波纹的波动。

戈斯瓦米和埃利斯说，潮汐力是引力辐射的一种形式。但要成为波，它们必须以广义相对论规定的特殊方式随时间变化。物理学家们继续用数学方法证明潮汐力确实具有这些性质，尽管其尺度比黑洞碰撞产生的波要小得多，但是它们的性质是相似的，也是很有趣的。物理学家们正在努力试图证明潮汐力就是引力波的一种表现形式。

本质上，戈斯瓦米和埃利斯认为潮汐力是低频引力波。这个理论做出了一些不同于牛顿重力理论的预测。例如，戈斯瓦米和埃利斯指出潮汐力从月球到地球需要1.3秒。他们说:“如果没有大陆，所有地方的海洋都一样深，潮汐将比月球处在天空中的时晚0.66秒。”在缺少陆地的情况下，潮汐将受到那么大的影响，潮汐的产生的时间竟然减少0.66秒，但是传统理论上月球潮汐力到达地球的时间不会变，而出现这种变化一定是因为地球自身的变化引起的。