苟利军：引力和时空的认识历史（4）

什么是引力波：时空的涟漪

怎么简单地理解物体和物体对于时空的影响呢？普林斯顿大学的John·Wheeler教授曾经有一句，对物体在弯曲时空当中的运动做了一个简单的归纳，他说：“质量保导致时空的弯曲，而弯曲的时空又决定了物质的运动。”

爱因斯坦对弯曲的时空，从数学角度做了一个看似抽象而且简单的描述，我们现在称之为爱因斯坦方程（Gμν=8πTμν）。左边的Gμν就代表了时空的几何结构，他就描述了弯曲时空到底是什么样子的，多大的质量导致弯曲的时空是什么样子的；右边是代表了弯曲时空当中能量和动量的分布。尽管看到的这个方程非常简单，但是往往简单的东西是非常抽象的，所以求解也非常困难。

1916年，爱因斯坦做了一个假设，他假设在弱引力情况之下，他的方程（爱因斯坦方程）就描述了引力波在时空几何当中是按照光速传播的。什么叫做弱引力呢？刚才说到，引力场等效于弯曲的空间，如果空间弯曲越大，那对应的引力也就很大。那弱引力代表什么呢？弯曲的空间比较小。如果说黑洞所造成的空间弯曲很大的话，那太阳造成的空间弯曲就相对较小了，地球应该就更小了。

假设宇宙当中空间的弯曲只是太阳或者一些不那么致密的天体所造成的，在这种情况下，它的引力波就应该是以光的速度在传播的。另外，引力波是什么样的振动呢？它的振动其实是指时空本身的振动。在日常生活当中，比如向水塘里扔一个石子，会看到水面上的水波，这和一个东西扔到这个宇宙当中，它会造成时空的振荡是非常类似的。所以，我们通常把时空当中的波动也称之为时空的涟漪。引力波代表了时空本身的振动，而非时空当中的振动。

引力波的效应其实是非常小的，所以我们怎么去测引力波的变化呢？如果在半波长之内，相距越远的物体，那它引起的引力波的距离变化越大。如果我们能够测到引力波在距离上的变化，我们就可以探知引力波的存在。现在我们知道引力波是一个横波，那什么是横波呢？横波就是它的运动方向跟振动方向是相互垂直的。

图片5

在这里（图片5），中间画了一个箭头，这代表了引力波的传播方向，如果两个绿色的物体通常在没有作用的时候，一直是保持恒定的，那么在引力波向下传播过程当，就会导致这两个物体之间的距离发生变化。那到底会发生什么样的变化、多大的变化呢？一方面是与引力波的强度有关系，另外一方面是与探测物体之间的距离有关系。那引起的距离的变化大约是多少呢？就是在这里（图片5）所看到的，强度如果用h来表示的话，就是乘它们之间的距离，h乘以L，最终ΔL ～Lh就代表了距离之间的变化。