双黑洞合并产生时空涟漪,13亿年后抵达地球,验证引力关键参数!
》引力,这个词最早提出来是牛顿。
1687年,《自然哲学的数学原理》首次出版,牛顿在第一卷“论物体的运动”里,就写下了这个著名的万有引力公式:
牛顿万有引力公式,一直到现在还在用。在一般的应用范围内,具有极高的计算精度。
》那个时候,认为引力的传播速度是无限快。在牛顿力学体系里面,所有力的作用都是超作用,瞬间抵达。
1879年,美国科学家迈克尔逊测出了光的速度。此时,科学界仍然不知道引力的传播速度是多少。
科学家一直用万有引力公式计算天体的运动轨迹。
根据开普勒定律,行星绕太阳运动是一条椭圆轨道,太阳位于椭圆的焦点。但是实际上,行星绕太阳运动一周,椭圆轨迹不完全重合。其中椭圆的长轴会偏离一个小的角度(当然短轴也会,但是我们一般不讲短轴)。这被称为行星的近日点进动。
进动是由于其他行星相互吸引造成的,也就是所谓的三体问题。进动效应最显著的是水星,因为水星绕太阳偏心率比较高,观察效应最显著。
根据天文观测,水星的进动值是每100年600角秒。但是根据万有引力公式计算出来的水星进动值为557角秒,剩下的43角秒无法解释。
虽然如此,大家也可以看出来,牛顿万有引力公式计算的精度是相当的高。
》就是这样的结果,较真的科学家仍然不满。科学必须有这种较真的精神。
有人就开始怀疑万有引力公式有问题。美国天文学家纽康,试图修改万有引力公式里的系数。这位老兄折腾了一阵子,把万有引力公式里面和距离的二次方成倒数关系,改成和距离的2.11次方成倒数关系。这下计算的结果,当然水星进动是被修正了,但是其他行星的运行轨道严重不符合。
数学家黎曼打算用电磁学的理论来修正万有引力定律,但是也没有结果。
总之一句话,这些人都没搞定。
》这个时候,神级的科学人物爱因斯坦出现了。
因为万有引力公式在洛伦兹变换下不能进行协变,所以爱因斯坦认为引力并不是一种力,而是一种效应。
从力学现象变成某种观察者效应,是对万有引力本质的描述上,一次重大的突破。
那么怎么从效应来考察引力呢?爱因斯坦做了一个代换:引力场的局部替换成做加速运动的惯性系。这被称为等效原理。
》在等效原理的基础上,爱因斯坦推导出了广义相对论公式。
根据广义相对论,引力是物质对时空扭曲的效应。物质让空间发生了弯曲,因而产生的引力。
广义相对论发表于1915年。根据广义相对论,爱因斯坦计算出了水星近日点进动的精确数值,与观测值完美吻合。
广义相对论是在等效原理的基础上推导出来的,即引力场的局部等效于做加速运动的惯性系。
惯性系必须遵守狭义相对论,而在狭义相对论里,光速是极限。可以把广义相对论,看成狭义相对论在弯曲空间的推广(在狭义相对论里面,时空是平直的)。
因此空间弯曲的速度只能以光速为极限,而引力的效应是由于空间弯曲产生的,因此引力的传播速度只能以光速为极限。
》但是,引力的测速极其困难。因为引力非常微弱,必须依靠极大的质量,才能表现出显著的宏观效应。在很长一段时间内,人类都束手无策。
13亿年前,宇宙深空处两个黑洞合并,产生的时空涟漪瞬间发出的功率,相当于可观测宇宙全部恒星发光功率总和的10倍。
这些时空涟漪,经过了13亿年漫长的旅途,在2015年9月14号抵达了地球,同时触发了分别位于美国新泽西州和华盛顿州的激光引力波天文台。这是人类有史以来第1次探测到引力波,证实了引力波传播的速度就是光速,因而证明了空间弯曲的速度就是光速。
距离牛顿发表《自然哲学的数学原理》,已经过了整整328年。可以说,对引力速度的测量,是目前为止人类对物理量耗时最漫长的测量。
因为空间弯曲的速度等于光速,一切靠弯曲空间进行的时空旅行,其速度永远也不可能超光速。所以,即便是有所谓的阿库别瑞曲率引擎,超光速飞行也是不可能的。
在自然界中,唯一被证实的超光速现象是宇宙空间的形成和扩张速度。
光在真空中的传播速度,是为人类和万物设定的界限!创世法则除外!