1987年是牛顿发表重要理论的一年,重力理论奠定了最初的物理学基础。牛顿的运动定律以及他对重力的描述,在世界上奠定了革命性的概念。这个理论在当时几乎可以用来描述从天上的鸟到一个苹果的一切事物。在下一个几百年的过程中引力学就是王道。但在二十世纪初,当一名年轻人在瑞士专利局工作开始提出了一些更加深奥的问题时,这一切都将会被改变。爱因斯坦得出的结论是,牛顿的物理学是不足以描述这个世界的,特别是不能解释关于电磁场理论。1905年他发表了一篇论文来补充牛顿定律,改论文用来描述接近光速的运动物体的电动力学。这种新的描述被称为狭义相对论。这很特别,因为它没有涉及到重力和。加速度。然后爱因斯坦又花了10年将这2个概念引入到他的相对论中,称为广义相对论,这个理解充分说明了引力波的意义。
那到底什么才是引力波
牛顿的定律描述了行星的运动,但他从来没有确切的说重力是什么,它来自哪里。爱因斯坦给自己提出了一个简单的问题:如果太阳突然消失,行星的运动会发生什么样的变化?牛顿力学说,当太阳的引力消失则行星将开始在直线的直线移动。但这违反了下一相对论的宇宙速度限制。例如,当太阳消失后的八分钟内地球会怎样运动?各个行星在各自的轨道上会怎样运动?通过寻找一个引力场和加速度产生的力之间的相似性我们将很容易理解。
电梯的故事
爱因斯坦意识到,所有的物理定律都是真实的,这不取决于你在哪个坐标系。比如当你在地球表面上,或者人在30000英尺高空,在一个架以500英里每小时飞行的飞机中。在飞机上和地球上做实验的结果是一样的。
让我们考虑2部电梯。一部电梯在地面上。另一部是在太空中以向上的加速度运行。这两种情况是否对里面的物体造成差异?如果地球上电梯里的人掉了一个苹果,重力会让它以9.8m/s2的加速度掉在地板上。如果在空间中的加速电梯里的人,苹果也将以加速度9.8m/s2掉到地板上。
现在让我们在不同情况下考虑同一台电梯。其中一个是空间中一动不动。另一则是自由地向地球运动。我们现在问同样的问题:是否有可能让居住者知道他们在哪一个电梯中?当苹果掉下来的时候,它会漂浮在那里。爱因斯坦意识到,这两者的参照系是等价的。他意识到我们在地球上的重力是一样的,但我们会在加速电梯里感觉到不同。所以重力不像其他物理力量那样。但如果不是一种力量,那就是它是什么?
要回答这个问题,让我们再看一下我们的电梯。让我们想象一下,每一个都配有一个激光发射器在一边和一个探测器在相反的一面。他们离地面是同一高度。我们的实验将包括从激光中释放一个光子,并看到它在探测器上的点击率。光子没有质量,所以不受重力的影响。因此,在电梯上进行的实验中,在地球上的电梯应该揭示了光子撞击探测器在相同的高度作为其来源。但在空间加速的电梯上进行实验时,我们得到了不同的结果。当光子被释放时,电梯在向上加速,所以它必须在较低的点上达到探测器!
如果我们意识到这2个电梯环境是相等的,我们就不得不得出结论:在电梯里的光子必须遵循一条弯曲的路径。爱因斯坦将继续表明地球引力场的存在会使光子的路径扭曲。他会表明,重力不是一种力量。吸引身体的“力量”是由他们的空间和时间的曲率引起的。
关于引力波
现在我们知道如果太阳突然消失,会发生什么。由太阳引起的时空曲率会使空间波纹向外。它会发出引力波以光速袭向行星的移动速度。每个行星将继续沿着稳定的轨道运行,一旦被波击中,运动将被改变。如果时空没有被弯曲,行星将遵循牛顿力学,并进入无尽的空间。
这一切都是假设的,因此是一个引力波的思想。爱因斯坦曾预测过他们,但他认为他们在地球上太小了。但这一切都已经改变,就在前几天,在美国的两家工厂都记录了十亿年前发生的两个黑洞的合并。合并引发了一系列引力波,我们正在聆听。
现在,我们知道这个现象存在,是可测量的,然后更多的资源将致力于探索这一新领域的天体物理学。