引力到底有多快？

由于对引力波的观测，科学家们能够来安顿一个长期存在的就引力的速度的争论。

HARD SCIENCE — OCTOBER 24, 2022

Don Lincoln

Credit: catalin / Adobe Stock

关键要点

 整个历史上科学家们已经提出了许多引力的确切速度的答案。

泛泛的说两个主要提议一直是引力要么无限的快要么和光速一样快。

由于2017年记录的引力波的观测，我们现在知道引力和光以同一速度旅行。

对人类已知的所有基本力，引力既是最熟悉的又是一种将这个宇宙把持在一起的，在一个广袤的、相互连接的宇宙之网中连接着遥远的星系。记住这一点，一个来沉思的有趣问题是是否引力有一个速度。原来是它确实有，而科学家们已经精确的测量了它。

让我们从一个思想实验开始。假设就在这个非常的一刻，不知怎的太阳被弄得消失了------不只是变黑而且完全的消失。我们知道，光以一个固定的速度每秒30万公里或每秒18.6万英里旅行。从已知的地球和太阳之间的距离（1.5亿公里或9300万英里），我们能计算在我们这里在地球上会知道太阳已经消失了要用多长时间。在中午的天空会变黑之前大约需要8分20秒。

但关于引力的呢？如果太阳消失了，它不仅会停止发射光而且也停止施加把持行星在轨的引力。当时我们会找出吗？

如果引力是无限快，一旦太阳嗖的成不存在消失引力也消失。我们应该仍然能看这个太阳8分钟多一点，但地球会已经开始浪荡开，前往星际空间。另一方面，如果引力以光速旅行，我们的行星会继续像往常一样环绕太阳8分20秒，之后它会停止它的熟悉的路径。

当然，如果引力以一些其它速度旅行，当海滩上的太阳崇拜者注意到太阳消失了和当天文学家观察到了地球正在走进错误的方向之间的间隔会是不一样的。如此，引力的速度是多少呢？

整个科学史上不同的答案已经被提出。发明了第一个复杂的引力理论的艾萨克·牛顿爵士相信了引力的速度是无限的。他会已经预测在地球约束的人类注意到太阳消失之前地球的穿过太空的路径会变化。

另一方面，爱因斯坦相信了引力以光的速度旅行。他会已经预测人类会同时的注意到太阳的消失和地球的穿过宇宙的路径的变化。他将这个假设建进他的广义相对论，广义相对论是目前最佳接受的引力理论，而它非常精确的预测围绕太阳的行星的路径。他的理论比牛顿的做出更准确的预测。如此，我们能得出爱因斯坦是正确的结论吗？

不，我们不能。如果我们要测量引力的速度，我们需要想一种来直接的测量它的方法。当然，因为我们不能只 “消失”太阳几个片刻来测试爱因斯坦的想法，我们需要找到另一种方法。

爱因斯坦的引力理论做出了可验证的预测。最重要的一个是他意识到了我们体验的熟悉的引力能被解释为空间织造的一个扭曲：扭曲越大，引力就越高。而这个想法有重要的结果。它提出空间是可延展的，类似于一个蹦床的表面，当一个孩子踩在它上时蹦床扭曲。此外，如果同一个孩子在蹦床上跳，表面变化：它上下反弹。

类似的空间能隐喻的 “上下反弹”，尽管更准确的说类似于空气怎样传递声波它压缩和放松。这些空间的扭曲被称为“引力波”，而它们将以引力的速度旅行。如此，如果我们能探测到引力波，我们也许能测量引力的速度。但扭曲的空间以科学家能测量是相当困难的方式，而且远远超出目前的技术。幸运的是大自然已经帮助了我们出来。

测量引力波

在太空中，行星环绕恒星。但有时恒星环绕其它恒星。其中一些恒星从前是大质量的，已经生活了它们的一生并死了，留下一个黑洞------一颗死去的大质量恒星的尸体。如果两颗这样的恒星死了，那么你能有两个彼此环绕的黑洞。随它们环绕，它们发射微小的（目前不可能探测到的）量的引力辐射，这使它们失去能量并彼此更靠近。最终，两个黑洞足够近到它们合并。这个剧烈的过程释放大量的引力波。在一秒的一个分数内两个黑洞来到一起，这个合并以引力波的形式在同一时间释放比可见宇宙中由所有恒星发射的光更多的能量。

虽然引力辐射回到1916年就被预测，但它让科学家们花了将近一个世纪的时间来开发探测它的技术。为了探测这些扭曲，科学家们取两根管子，每根管子长约2.5英里（4公里）并将它们定向在90度如此它们形成一个“L”。然后他们用一个镜子和激光器的组合来测量这两条腿的长度。引力辐射将不一样的变化个这两管子的长度，如果他们看到正确的长度的变化模式，他们已经观察到了引力波。

第一次观测到引力波发生在2015年，当时距离地球10亿多光年的两个黑洞合并了。虽然这在天文学中是一个非常令人兴奋的时刻，但它没有回答引力的速度的问题。为此，需要进行一个不同的观测。

虽然当两个黑洞发生碰撞时引力波被发射，但这并不是唯一可能的原因。当两颗中子星撞进一起时引力波也被发射。中子星也是被烧毁的恒星------类似于黑洞，但稍微更轻一些。此外，当中子星碰撞时它们不仅会发射引力辐射，它们还发射一个能跨整个宇宙看到的强大的光的爆发。为了确定引力的速度，科学家们需要来看两颗中子星的合并。

2017年，天文学家们得到了他们的机会。他们探测到了一个引力波和一个两秒钟后轨道天文台探测到了伽马辐射，这是一种来自太空中的同一位置起源于一个位于1.3亿光年之外星系的光的形式。最后，天文学家发现了他们需要来确定引力的速度的。

两颗中子星的合并同时发射光和引力波，如此如果引力和光有相同的速度，它们应该同时被地球上探测到。鉴于宿主这两颗中子星的星系的距离，我们知道这两种波已经旅行了大约1.3亿光年并且彼此在两秒内到达了。

如此这就是答案。引力和光以同一的速度旅行，被一个精确的测量确定。它再次证实爱因斯坦，并且它暗示某些关于空间的本质的深刻的东西。科学家们希望有一天来完全理解为什么这两种非常不同的现象有相同的速度。

https://bigthink.com/hard-science/speed-of-gravity/