引力的速度

　　几个世纪以来，引力的速度一直困扰着科学家们。第一个复杂的引力理论由艾萨克牛顿提出，并于1687首次发表。根据牛顿的说法，引力以无限的速度在宇宙中无处不在。然而，牛顿的引力理论并不是最新和最成功的引力理论。
　　1915年，阿尔伯特爱因斯坦发表了他的广义相对论，该理论将引力解释为空间和时间的弯曲。在他的理论中，这些弯曲可以改变恒星和行星等物体的形状，当然也可以改变空间本身。然后，这些不断变化的弯曲将通过一种称为引力波的现象在宇宙中传播。爱因斯坦说，引力波的速度与光速相同。
　　那么，关于引力速度的理论，爱因斯坦还是牛顿是对的？物理学是一门经验科学，回答这个问题需要测量。那么如何测量引力的速度呢？首先最重要的是，我们需要能够探测到引力波。
　　引力波会改变物体的大小。例如，如果引力波经过你，它们会改变你的高度和宽度：你的高度会先缩小，宽度会先增加；然后高度会增加，宽度会缩小。当引力波经过你时，这个循环会发生几次。这是我们探测引力波的基本想法。
　　爱因斯坦早在1916年就预测了它们的存在，但科学家们花了一个世纪的时间才设计出一种可靠的方法，然后开发出实现它的技术。虽然引力波是在任何有质量物体周期性振荡时产生的，但大多数引力波都小得离谱。获得大引力波的唯一已知方法是以振荡方式快速移动体积较小并且质量达到恒星级别的物体。
　　这对我们来说很难在实验室中实现，然而宇宙中充满了恒星系统，并且许多恒星系统是由两颗恒星组成。一些超级古老的恒星已经死亡变成黑洞，可能有两个黑洞相互环绕。最轻的黑洞的质量大约是太阳的三倍，直径大约为几十公里。它们符合又重又小的条件，并且两个黑洞可以彼此非常接近，此时它们以相当小的光速移动并具有极大的加速度，因此它们会释放出相当大的引力辐射。
　　然而，黑洞离地球很远。即使它们发出大量引力辐射，当辐射到达地球时，也只会使长度和宽度发生微小的扭曲。这意味着我们需要一个极其精确的检测设备才能探测到引力波。因此，早在1990年代，研究人员就开始建造所谓的LIGO。
　　LIGO是激光干涉引力波天文台的简称。每个设施由两根管组成，两根管子的方向呈L形，每根管子4公里。简单来说，激光通过分束器照射到反射镜上，然后反射回检测器。使用一些非常精确的光学器件和多次反射，LIGO可以测量小至质子长度的千分之一的变化。
　　在2015年，研究人员首次观测到引力波，这是在大约13亿光年外两个快速绕轨运行的黑洞相互碰撞时产生的。能够探测到引力辐射非常重要，但它并不能告诉我们引力的速度有多快。为了测量引力速度，理想情况下我们要知道黑洞碰撞的确切时间，但由于碰撞的黑洞是看不见的，所以这很难做到。
　　然而，宇宙再次帮助了我们。虽然碰撞黑洞可以产生大引力波，但这不是唯一的方式，我们需要的只是恒星质量并且彼此接近的物体。黑洞是完美的，但当恒星死亡时，并不是所有的恒星都会形成黑洞，有一些还会形成中子星。中子星的质量小于黑洞，但它们仍然可以发挥作用。
　　如果两颗中子星能够在一个非常紧密的轨道上相互绕转然后撞在一起，我们不仅可以探测到引力波，还能用望远镜看到非常明亮的闪光。在2017年的一天，地球的引力波探测器检测到引力波的通过。大约2秒后，轨道望远镜检测到来自深空的伽马辐射的短暂脉冲。经过一番分析，引力波和伽马射线来自同一事件中子星碰撞，距离我们大约1。44亿光年。
　　从这个同时产生光波和引力波的事件，我们可以非常精确地掌握引力速度。它们都旅行了1。44亿年，并且两个脉冲在彼此相隔2秒内到达。由此，我们可以以极小的不确定性说引力以光速运动。
　　现在，我们想知道为什么光会延迟引力两秒之后到达？答案很简单，引力辐射一直在发出，但当大质量物体移动得最快时，引力波是最大的，这发生在中子星碰撞之前。之后才发生碰撞，并发出光。
　　使用所谓的多信使天文学，研究人员将来自不同类型探测器的信息结合起来，我们现在可以非常精确地测量引力速度。爱因斯坦在20世纪初的猜想是正确的。
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