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爱因斯坦广义相对论的物理基础是建立在等效原理上的

发布时间:2017-06-09 来源:未知 编辑:hg0088
    6月1日,著名的LIGO团队宣布又发现了一个确凿的引力波事件,还是两个黑洞并合形成一个黑洞的过程中产生的引力波。当然还是由于引力波的到来,让LIGO实验的几十千克的镜子(用来反射激光而测量镜子的运动)振荡起来了。
 
    刚刚宣布的LIGO引力波事件GW20170104中的两个黑洞并合前的示意图:它们的轨道面和自转的赤道面不完全重合,产生了有趣的广义相对论效应。图片来源:LIGO
 
    但是我们都知道,任何物体运动起来都得消耗能量,要使得几十千克的镜子振荡起来,很显然引力波得传递能量给这个镜子。由于LIGO测量到的是镜子做了仅仅是大约质子的直径千分之一的振荡,当然这个能量实在是非常小。
 
    但是引力波的“强度”实际上是相对尺度的变化,也就是镜子的振荡幅度正比于所测量的基线的长度。如果把LIGO管道的长度增加很多倍,比如整个地球的直径(LIGO团队提供的引力波测量的动画中,整个地球就是扭曲起来了,动图在后方),甚至如果把LIGO放到太空中,让镜子相对激光光源几百万甚至上千万千米,类似计划中的欧洲的LISA、中国太极和天琴等项目,那么测量到的镜子振荡的幅度就得按比例增加。
 
    这样,岂不是引力波传递给同样的镜子的能量就大大增加了?如果是相距很远的另外一个星系里也有一面测量引力波的镜子呢?那不是仅仅改变了测量的方式,测量到的引力波传递给镜子的能量就变大了!实际上,那个星系里面镜子的运动应该和那个星系的运动一样,整个星系都跳起舞了,那得多大的能量?
 
    这看起来非常荒谬,是不是?
 
    就这个看起来很荒谬怪异的悖论,我曾经请教过国内外多位广义相对论的专家,得到的回答大致是以下几种:
 
    反正传递给镜子的能量也很小,管他是多少呢!
 
    镜子实际上没有动,没有真的传递能量,实际变化的是度规,所以能够测量到激光干涉信号的变化。
 
    目前的计算忽略了镜子的质量,如果考虑了镜子的质量,计算就会很复杂,也许不同管道的长度情况下结果会稍微有所不同。
 
    以上几种答案我都不满意。
 
    对于答案1,很显然是没有回答问题。
 
    对于答案2,如果镜子没有动,怎么会测量到干涉信号的变化呢?而且LIGO团队自己的解释就是镜子在振荡。
 
    对于答案3,目前的计算并不是忽略了镜子的质量,而是镜子的质量即使增加很多,它的运动所产生引起的时空变化,和引力波信号相比也是完全可以忽略不计的,而且振幅和基线长度成正比是广义相对论的基本预言,不依赖于镜子的质量。
 
    那么到底镜子动了没有?如果动了,怎么解释上面的矛盾呢?
 
    Bernard Schutz教授在2017年5月26日中国科学院大学主办的“空间引力波探测国际会议”(英文名称:International Symposium on Gravitational Waves)大会上作报告。
 
    我在最近的一个会议上,请教了国际上引力波领域的权威学者之一Bernard Schutz教授,德国爱因斯坦研究所前任所长,现为英国卡迪夫大学物理学教授,也是LIGO合作组的重要成员之一。同时,他也是国际空间引力波探测计划LISA(Laser Interferometer Space Antenna)的科学组成员,负责协调LISA项目的发展规划。
 
    那我就解释一下他这句话的深刻道理。爱因斯坦广义相对论的物理基础是建立在等效原理上的。也就是说,在引力场中的自由落体运动(也就是除了引力之外没有其他力的作用,也包括两个天体在引力的作用下相互绕转的运动)的实验室里面的物理过程,和自由空间中完全不受力的实验室(也称为惯性参照系)里面的物理过程是一样的。
 
    根据等效原理,爱因斯坦得到结论,所谓引力,就是质量引起的时空扭曲的效应。对于外面的观测者,两个物体相互绕转没有走直线,但是它们却是在弯曲的时空里走了最短的路径(就是测地线)。他给我的回答直截了当:这个镜子相对于远处的观测者的确动了,因此可以用激光干涉测量到它的振荡,但是相对于它所处的空间,它没有动,实际上动的是空间。
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