深層解讀引力波，它爲何會以光速傳播？

描述整個宇宙需要兩類基本理論。一方面，有量子場論，它描述了電磁力和核力，並解釋了宇宙中所有的粒子以及控制它們的量子相互作用。另一方面，廣義相對論，它解釋了物質/能量和空間/時間之間的關係，並描述了我們所經歷的引力。在廣義相對論的背景下，出現了一種新的輻射類型：引力波。然而，儘管這些引力波與光無關，但它們必須以光速傳播。這是爲什麼呢？

我們知道電磁輻射的速度可以由真空中的麥克斯韋方程推導出來，這是個很深奧的問題。讓我們深入瞭解細節。

乍一看，麥克斯韋方程組並不一定能預測光速輻射的存在。這些方程清楚地告訴我們有關的行爲：

現在，僅僅利用電磁學定律，我們就可以建立一個物理上相關的系統：一個低質量的帶負電荷的粒子繞着一個帶正電荷的高質量粒子旋轉。這是盧瑟福原子的最初模型，伴隨着一場巨大的生存危機。當負電荷穿過空間時，它會經歷一個不斷變化的電場，並因此而加速。但是當帶電粒子加速時，它必須將能量輻射出去，而唯一的方法就是通過電磁輻射。

在經典電動力學的框架內，這有兩個效應是可以計算的。第一個效應是負電荷會螺旋進入原子核，就好像你在放射能量，你必須從某個地方得到能量，唯一能得到能量的地方就是運動中的粒子的動能。如果你失去了動能，你不可避免地會向中心旋轉，吸引物體。

你能計算出的第二個效應是發射輻射發生了什麼。麥克斯韋方程組中有兩個自然常數：

當你計算電磁輻射產生的屬性，它表現得像一個波的傳播速度等於(ε0μ0)1/2,這恰好等於光速。

在電磁學中，即使細節很容易算出來，整體效果也很直觀。經歷外部電磁場變化的移動電荷會發出輻射，這種輻射既能帶走能量，又能以特定的傳播速度移動：光速。這是一個經典的效應，可以在完全不涉及量子物理的情況下推導出來。

現在，廣義相對論也是一個經典的引力理論，完全沒有涉及量子效應。事實上，我們可以想象一個非常類似於我們在電磁學中建立的系統：一個運動中的質量，繞着另一個質量旋轉。運動的物體會經歷一個不斷變化的外部引力場。它將經歷空間曲率的變化，這導致它發射輻射，帶走能量。這就是引力波的概念起源。

但爲什麼——作爲一個將傾向於問——這些引力波以光速旅行嗎？爲什麼重力的速度，你可以想象它可以取任何值，必須與光速完全相等？也許最重要的是，但我們怎麼知道？

想象一下，如果突然使出終極宇宙魔法，讓太陽消失，會發生什麼。如果這樣你就不會看到天空變暗8分20秒，這是光從太陽到地球大約1.5億公里所需要的時間。但萬有引力不一定是相同的。正如牛頓的理論所預測的那樣，引力有可能是一種瞬時現象，宇宙中所有有質量的物體都能同時感受到，跨越浩瀚的宇宙距離。

在這種假設情況下會發生什麼？如果太陽在某一特定時刻以某種方式消失，地球會立即以直線飛行嗎？或者地球會繼續在橢圓軌道上運動8分20秒，直到以光速傳播的不斷變化的引力信號到達地球時才偏離軌道？

如果你問廣義相對論，答案更接近後者，因爲不是質量決定引力，而是空間的曲率，它是由空間中所有物質和能量之和決定的。如果你把太陽拿走，空間就會從彎曲變成平坦，但只是在太陽物理位置上。這種轉變的影響會向外輻射，產生非常大的漣漪。引力波——像三維池塘裡的漣漪一樣在宇宙中傳播。

在相對論的背景下，無論是狹義相對論(在平坦空間中)還是廣義相對論(在任何廣義空間中)，任何運動的速度都是由同樣的東西決定的：它的能量、動量和靜止質量。引力波，像任何形式的輻射一樣，有零靜止質量，但有有限的能量和動量，這意味着它們沒有選擇：它們必須始終以光速運動。

這有一些有趣的結果。

空間和時間與光速有關這一簡單的事實意味着所有這些表述都必須是正確的。

最後這句話，關於地球在8分20秒之前被太陽吸引的說法，是牛頓的引力理論和愛因斯坦的廣義相對論之間真正革命性的區別。它之所以具有革命性，是因爲一個簡單的事實：如果引力只是以光速將行星吸引到太陽之前的位置，那麼行星的預測位置將與它們實際觀測到的位置嚴重不匹配。

牛頓定律要求瞬間的重力速度達到如此精確的程度，如果這是唯一的約束條件，那麼重力的速度肯定比光速快200億倍，認識到這一點真是太妙了!但在廣義相對論中，還有另一個效應:繞太陽運行的行星在運動。當一顆行星運動時，你可以把它想象成一個引力脈動，從它上升到下降的不同位置。

在廣義相對論中，與牛頓引力相反，有兩個重要的區別。當然，任何兩個物體都會對另一個物體施加引力，通過彎曲空間或施加一個長程力。但是在廣義相對論中，這兩個額外的部分在起作用:每個物體的速度影響它如何體驗重力，在引力場中發生的變化也是如此。

有限的重力速度會引起引力場的變化，這與牛頓的預測大相徑庭，與速度相關的相互作用的影響也是如此。令人驚訝的是，這兩個效應幾乎完全抵消。正是這種對消的微小不精確性，讓我們得以首次測試牛頓的“無限速度”或愛因斯坦的“重力速度等於光速”模型是否符合我們宇宙的物理學。

爲了測試重力的速度是多少，通過觀測，我們需要一個空間曲率很大，引力場很強，加速度很大的系統。理想情況下，我們會選擇一個大的、質量大的物體在一個不斷變化的引力場中以一個不斷變化的速度運動的系統。換句話說，我們想要一個系統，在一個很小的空間區域裡，有一對緊密的軌道運行的，可觀測的，高質量的物體。

自然與此相配合，因爲雙星中子星和雙星黑洞系統都存在。事實上，任何有中子星的系統都有能力被非常精確地測量，如果發生了一件意外的事情:如果我們的視角與中子星極點發出的輻射完全一致。如果這種輻射的路徑與我們相交，我們可以在中子星每次旋轉時觀察到一個脈衝。

作爲中子星的軌道，脈衝星攜帶着大量關於這兩種成分的質量和軌道週期的信息。如果你在一個雙星系統中觀察這個脈衝星很長一段時間，因爲它是一個非常規則的脈衝發射器，你應該能夠探測到軌道是否在衰變。如果是，你甚至可以提取出輻射的測量值:它傳播的速度有多快?

愛因斯坦的引力理論的預測對光速非常敏感，以至於甚至從第一脈衝雙星系統在1980年代發現，我們有約束重力的速度等於光速的測量誤差只有0.2% !

當然，這是一個間接的測量。我們在2002年進行了第二類間接測量，一次偶然的巧合使地球、木星和一個非常強的射電類星體(QSO J0842+1835)沿着同一條視線排列。當木星在地球和類星體之間移動時，木星的引力彎曲允許我們間接地測量重力的速度。

結果是確定的：他們絕對排除了引力效應傳播的無限速度。僅通過這些觀測，科學家們就確定了重力的速度在2.55×108 m/s和3.81×108 m/s之間，完全符合愛因斯坦299,792,458 m/s的預測。

但是，引力的速度等於光速的最有力證據來自2017年對一顆千諾娃星的觀測:兩顆中子星的吸氣和合並。一個壯觀的多信使天文學的例子，引力波信號首先到達，記錄在LIGO和室女座探測器。然後，1.7秒後，第一個電磁(光)信號到達了：來自爆炸災難的高能伽馬射線。

因爲這個事件發生在1.3億光年之外，重力和光的信號到達時的時間差小於2秒，所以我們可以限制重力與光速之間可能的偏離。我們現在知道，根據這個，它們的差值小於10^15分之1，或者說小於光速的1 千萬億分之一。

當然，我們認爲這兩個速度是完全相同的。只要引力波和光子都沒有靜止質量，重力的速度就應該等於光速。這1.7秒的延遲很可能是由於引力波在不受擾動的情況下穿過物質，而光在電磁作用下發生相互作用，當它穿過空間介質時，極有可能使它的速度減慢一點點。

重力的速度確實等於光速，儘管我們不是用同樣的方法推導出來的。麥克斯韋把電和磁這兩種以前獨立而又截然不同的現象結合在一起，而愛因斯坦只是把狹義相對論的理論擴展到一般的所有宇宙時間。雖然引力速度等於光速的理論動機從一開始就存在，但只有通過觀察證實，我們才能確定。引力波確實是以光速傳播的。