引力波？「引力」是什麼你真的懂了嗎？

2016年02月12日 13:54    出品：中國科普博覽

　　一大早被人類首次探測到引力波的新聞刷屏，可能有大批和小編一樣迷茫的人還在糾結引力怎麼會有波這種問題。中國科普博覽帶你一起讀懂，引力究竟是怎麼回事！

　　一、牛頓的描述：

　　牛頓認為，月球之所以會繞地球運轉，是它們之間存在萬有引力的緣故。這引力像繩子或彈簧一樣一頭拴著月亮，一頭系著地球。一個形象的比喻就是投擲鏈球： 地球是鏈球運動員而月亮是鏈球，地球在自己旋轉的同時用鐵鏈（萬有引力）拉住月球，帶它一塊轉。當然，萬有引力是無形的，看不見摸不著，卻如一條條鐵鏈拴 住世間萬物。

　　二、愛因斯坦的見解：

　　後來人們觀測到遙遠的星光經過太陽附近時會發生彎曲。而牛頓以來的科學家都認為光線是直線傳播的。愛因斯坦認為，要解決觀測與理論間的矛盾，只能假設太 陽周圍的空間是彎曲的，這樣光線在其中通過時，其路徑也彎曲起來。於是他提出了廣義相對論，用彎曲空間來討論萬有引力的作用：



　　每個有質量的物體周圍都會出現時空的「彎曲」。這種彎曲就像在一層橡膠膜上放一顆鐵球產生的凹陷一樣。這時放在膜上的物體就要順勢滑向鐵球。在現實中，太陽 的質量也在其周圍產生空間彎曲，行星在「彎曲」的空間里運動，看起來好像是繞著太陽轉圈一樣。想象一下在漏斗側壁上滾動的小球，只要它的速度合適，就不會 落入漏斗中。同樣，包括地球在內的行星都以恰到好處的速度繞太陽轉動，因此不會被太陽這個「引力漏斗」吸入。

　　一顆普通的恆星太陽尚且能把時空彎曲到如此程度，更不必說體積甚小、質量更大的黑洞了。它在時空中產生的彎曲就像用一根針戳向橡皮膜造成的凹陷一樣厲害。這時牛頓的萬有引力定律已經派不上用場。

　　你大概會認為這是一種想象出來的局面，但實際上並非如此。地球這顆行星是沿著橢圓路線繞著太陽運行的，正像一條船在呈曲面的大海上行駛一樣。至於這條橢圓路線，牛頓是假設太陽和地球之間有一種引力來解釋的，正是這種引力使地球保持在它的軌道上。


　　不過，我們也可以從空間幾何形態來考慮問題。我們不是通過觀察空間本身——空間是看不見的——而是通過考察物體在這種空間里的運動方式，來確定這種空間 的幾何形態。如果空間是「平坦的」，各種物體就會走直線從這個空間中通過，如果空間是「彎曲的」，各種物體就會走出彎曲的路線來。

　　一個具有確定質量和速度的物體，如果在離開其他物體都很遠的地方運動，那麼，它的路徑真的可以說是一條直線。而當它越靠近另一個有質量的物體，它的路徑 就會變得越來越彎曲，顯然，是質量把空間彎曲了。質量越大，離質量越近，空間彎曲的就越厲害。由此看來，萬有引力只適用於描述空間彎曲程度較輕的情況，而廣義相對論則適用於任何程度的彎曲空間。

　　[名詞解釋：「時空」在相對論中，時間與空間不可分割，就好像物體的長、寬、高不可分割一樣。愛因斯坦認為，時間是現實世界中除長、寬、高以外的第四個維度，「空間~時間」構成了一個連續的體系。單指出一個物體的瞬間狀態是沒有什麼意義的，必須也描述該物體在時間中的變化。]