引力波的传播速度有多快_引力波传播是瞬时的吗_引力波的传播方向 - 全文

　　引力波的传播速度有多快

　　引力波如何传播的

　　以地球如何感受太阳引力为例。一个更确切的图像是：太阳产生引力波，以光速传播到地球所在的位置；引力波传播的同时，也携带的另外四个自由度一起传播；最终在地球所在的位置产生完整的引力场（六个自由度），然后地球感受到这个引力场——当然，也包括牛顿引力势。

　　所以，即便太阳有一天突然消失了，我们也只是在8分钟后才看到天黑了；同样，在8分钟后才感觉地球突然被甩了出去。

　　麦克斯韦在1865年得到电磁波动方程，12年后赫兹证实电磁波的存在。遗憾的是，广义相对论诞生100年之后的今天，仍然没有直接探测到引力波。

　　目前测量引力传播速度的实验，通常是观测太阳、地球、月亮系统的重力变化，实际上只是观测牛顿引力势的作用时间。当然，因为牛顿引力势总是坐在在引力波这辆跑车上，所以也算是间接测量了引力真正的传播速度。

　　

　　引力波的传播速度不能超过光速

　　光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度。它与观测者相对于光源的运动速度无关，即相对于光源静止和运动的惯性系中测到的光速是相同的。物体的质量将随着速度的增大而增大，当物体的速度接近光速时，它的质量将趋于无穷大，所以有质量的物体达到光速是不可能的。只有静止质量为零的光子，才始终以光速运动着。光速与任何速度叠加，得到的仍然是光速。速度的合成不遵从经典力学的法则，而遵从相对论的速度合成法则。

　　在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下，引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中，因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。

　　

　　引力波传播是瞬时的吗

　　引力波的传达究竟是否是瞬间呢，很多人都疑难这个，但是答案肯定是否定的。

　　若何引力波的传达是瞬间的而没有是光速的话，会导致宇宙中所有引力场的缭乱，譬喻单个年夜行星会由于远处一个原本距离适中的质量超小星系的引力所孕育发生的潮汐力而破碎。引力场的传达速率的具有可导致硕大星系外部引力场的一局部小我平衡，倘使速率密切有限小则会导致“等效事理”极限化，前因显而易见。

　　倘使硕大星系外部所有星体绝对静止，引力场的传达速率也就失落去了宏观意思，但实践中没有具有这类硕大星系。

　　

　　引力波也称重力波，引力波是爱因斯坦狭义绝对论所预言的一种以光速传达的时空波动，是时空曲率的扰动以行进波的内容向别传递的一种体式格局。犹如电荷被放慢时会收回电磁辐射，同样有质量的物体被放慢时就会收回引力辐射，这是狭义绝对论的一项主要预言。引力波与流膂力学中的重力波很相似，当液体皮相或者外部液团因为密度不同来到原本职位地方，正在重力（gravity force）以及浮力（buoyancy force）的综协作用下，液团会处于上下震撼以抵达均衡的状况。即孕育发生波动。引力波则是因为空间质量以及速率的更动导致空间孕育发生的波动。

　　LIGO正在2016年2月11日宣告“探测到引力波的具有”。引力波的创造意思重小，从迷信意思上看，引力波可以直截与宇宙小爆炸毗邻。狭义绝对论中预言的引力波也能够孕育发生于宇宙小爆炸中，这即是说小爆炸之初的引力波正在137亿年后的今日仍旧可以探测到。一旦创造了宇宙小爆炸时代的引力波，就能够揭开宇宙的各类谜团，以至相识宇宙的初阶以及运转机制。

　　引力波的传播方向

　　引力波是横波。首先简单来说：

　　通常对于有质量的场而言，对应的粒子运动的速度是小于光速的，所以我们总可以找一个和粒子相对静止的参考系来看问题（Lorentz boost）。 这时粒子的四动量为. 寻找自由度来自于寻找粒子具有的独立的状态，来自于寻找在此参考系下，保持此四动量不变的群操作。这个群操作是洛伦兹群的子群。可以看出保持此操作不变的群（也叫little group）是所有空间转动组成的群也就是SO（3）。 根据高等量子力学的知识，自旋为j的粒子在SO（3）的对称性下有（2j+1）个自旋态。而对于无质量的场而言，它的运动速度必然是光速，所以无法通过一个boost找到一个和它相对静止的参考系。这样四动量最多可以写成。

　　所以保持此矢量不变的对称群是ISO（2），可以理解成绕着运动的那个轴的轴对称群。这时描述它的态只有2个。所以形象的理解就是无质量粒子的纵向的自由度被冻结掉了，留下的只有横向的自由度，而横向的自由度对应于经典物理我们通常说它具有横向的偏振态，所以无论是光子还是引力子都是以光速运动的粒子所以只有2个偏振态，所以都是横波。其物理的来源在于小群的不同。

　　当然如果懂一点点群论的人而言，还有可以更加清晰的解释。

　　根据Wigner定理，一种粒子的状态总是和Poincare群（ 3个转动，3个洛伦兹变换（boost），4个平移）的表示相联系的。

　　而在研究群的表示的时候，我们总是喜欢寻找卡西米尔算子，也就是和一个群的所有生成元都对易的算子，这个算子的本征值就是区分有多少种物理粒子态。

　　比如在角动量理论中，角动量的平方就是，，的卡西米尔算子，我们都知道其具有（2j+1）个本征态。

　　而在有质量的场论来说呢？我们的任务也是寻找卡西米尔算子，对于有质量的场论，我们可以找到两个卡西米尔算子 ， 四动量的平方和泡利鲁班斯基矢量的平方。泡利鲁班斯基矢量定义说起来有点烦，与自旋关系密切，现在理解成自旋就行。这样通过这两个卡西米尔算子的本征值就可以区分粒子态了。的本征值是，关于这一类庞加莱群表示的分类知乎上已经有非常好的回答了。对于特定的，如果粒子具有自旋s，还可以由另外一个卡西米尔算子的本征值分成2s+1个自旋态。一切看上去so far so good.

　　但是如果对于没有质量的场（电磁场，引力场）， 那么我们就会发现，上面两个卡西米尔算子的本征值都是0，这样它们就都不能用了。所以为了给庞加莱群表示分类，我们需要寻找新的洛伦兹不变量，新的洛伦兹不变量就是螺旋度（helicity）， . 也就是自旋在运动方向上的投影。这个卡西米尔算子对于自旋为s的态只具有s，-s两个本征值，所以只能把它分成两个状态，对应于两个偏振态。于是对于电磁场，引力场等无质量场，只具有横波自由度了。

　　这时，就会发现这好像和规范对称性有所联系了，因为电磁场和引力场之所以自由度被限定成了2个，是因为我们选定了恰当的规范条件。比如电磁场的库伦规范，关于引力波的规范问题我在我关于引力波的那个回答里也提到过。而且只有无质量场具有规范不变性（关于规范场粒子的质量是来自对称性破缺），所以也可以把刚才的若干讨论看作是规范不变性的起源。

　　注意在量子力学（经典力学）中，规范对称性通常不认为是对称性，因为量子力学中物理状态利用希尔伯特空间的矢量描述，因为规范对称性相联系的两个状态实际上是相同的，而对称性描述的两个状态是不同的通过对称性相互联系。这里通过量子力学来说明，经典力学中同样规范对称性也不是对称性。一个很有误导性的说法是，电磁场的U（1）整体规范对称性根据诺特尔定理带来了电荷守恒，容易让我们误导规范对称性具有守恒流，从而是一个对称性。实际上这个说法应该改为“整体对称性根据诺特尔（第一）定理带来了电荷守恒”，整体对称性是系统的对称性而不属于规范对称性。

　　延伸阅读：什么是横波，如何判断横波的方向

　　什么是横波：横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。

　　如何判断横波的方向：

　　

　　知道某点的振动方向，那么传播方向要么是左要么是右，对吧。看哪个传播方向与振动方向在波形的同一侧，那个就是波的传播方向。经验，从来没判断错过。