• 時空中的波紋就是引力波，它們以光速在空間中向各個方向傳播。雖然愛因斯坦的廣義相對論方程式中從未出現(xiàn)過電磁學(xué)常數(shù)，但引力波無疑是以光速運動的。

描述整個宇宙需要兩類基本理論。一方面，有量子場論，它描述了電磁力和核力，并解釋了宇宙中所有的粒子以及控制它們的量子相互作用。另一方面，廣義相對論，它解釋了物質(zhì)/能量和空間/時間之間的關(guān)系，并描述了我們所經(jīng)歷的引力。在廣義相對論的背景下，出現(xiàn)了一種新的輻射類型：引力波。然而，盡管這些引力波與光無關(guān)，但它們必須以光速傳播。這是為什么呢？

我們知道電磁輻射的速度可以由真空中的麥克斯韋方程推導(dǎo)出來，這是個很深奧的問題。讓我們深入了解細(xì)節(jié)。

• 可以寫出各種各樣的方程，比如麥克斯韋方程，來描述宇宙的某個方面。我們可以用多種方式把它們寫下來，因為它們有微分形式(左)和積分形式(右)。只有將他們的預(yù)測與物理觀察進(jìn)行比較，我們才能得出關(guān)于其有效性的任何結(jié)論。

乍一看，麥克斯韋方程組并不一定能預(yù)測光速輻射的存在。這些方程清楚地告訴我們有關(guān)的行為：

1. 靜止的電荷，
2. 運動中的電荷(電流)，
3. 靜電(不變的)電場和磁場，
4. 以及這些電場和電荷如何相互移動、加速和變化。

現(xiàn)在，僅僅利用電磁學(xué)定律，我們就可以建立一個物理上相關(guān)的系統(tǒng)：一個低質(zhì)量的帶負(fù)電荷的粒子繞著一個帶正電荷的高質(zhì)量粒子旋轉(zhuǎn)。這是盧瑟福原子的最初模型，伴隨著一場巨大的生存危機(jī)。當(dāng)負(fù)電荷穿過空間時，它會經(jīng)歷一個不斷變化的電場，并因此而加速。但是當(dāng)帶電粒子加速時，它必須將能量輻射出去，而唯一的方法就是通過電磁輻射。

• 在原子的盧瑟福模型中，電子繞帶正電荷的原子核運動，但會發(fā)出電磁輻射，并看到軌道衰變。這需要量子力學(xué)的發(fā)展，以及玻爾模型的改進(jìn)，才能理解這個明顯的悖論。

在經(jīng)典電動力學(xué)的框架內(nèi)，這有兩個效應(yīng)是可以計算的。第一個效應(yīng)是負(fù)電荷會螺旋進(jìn)入原子核，就好像你在放射能量，你必須從某個地方得到能量，唯一能得到能量的地方就是運動中的粒子的動能。如果你失去了動能，你不可避免地會向中心旋轉(zhuǎn)，吸引物體。

你能計算出的第二個效應(yīng)是發(fā)射輻射發(fā)生了什么。麥克斯韋方程組中有兩個自然常數(shù)：

1. ε0，自由空間的介電常數(shù)，這是基本常數(shù)描述兩個電荷之間的電力在真空中。
2. μ0，自由空間的滲透性，可以認(rèn)為是常數(shù)，它定義了兩個平行生產(chǎn)的磁力進(jìn)行電線在真空恒流貫穿而過。

當(dāng)你計算電磁輻射產(chǎn)生的屬性，它表現(xiàn)得像一個波的傳播速度等于(ε0μ0)1/2,這恰好等于光速。

• 相對論性電子和正電子可以加速到非常高的速度，但會以足夠高的能量發(fā)射同步輻射(藍(lán)色)，阻止它們運動得更快。這種同步加速器輻射是盧瑟福多年前預(yù)測的輻射的相對論類比，如果你用引力場和電荷來代替電磁場和電荷，它就有一個引力類比。

在電磁學(xué)中，即使細(xì)節(jié)很容易算出來，整體效果也很直觀。經(jīng)歷外部電磁場變化的移動電荷會發(fā)出輻射，這種輻射既能帶走能量，又能以特定的傳播速度移動：光速。這是一個經(jīng)典的效應(yīng)，可以在完全不涉及量子物理的情況下推導(dǎo)出來。

現(xiàn)在，廣義相對論也是一個經(jīng)典的引力理論，完全沒有涉及量子效應(yīng)。事實上，我們可以想象一個非常類似于我們在電磁學(xué)中建立的系統(tǒng)：一個運動中的質(zhì)量，繞著另一個質(zhì)量旋轉(zhuǎn)。運動的物體會經(jīng)歷一個不斷變化的外部引力場。它將經(jīng)歷空間曲率的變化，這導(dǎo)致它發(fā)射輻射，帶走能量。這就是引力波的概念起源。

• 對于電磁學(xué)中的輻射反應(yīng)，也許沒有比引力理論中圍繞太陽運行的行星更好的類比了。太陽是最大的質(zhì)量源，因此使空間彎曲。當(dāng)一顆巨大的行星穿過這個空間時，它會加速，這就意味著它必須釋放某種輻射來保存能量：引力波。

但為什么——作為一個將傾向于問——這些引力波以光速旅行嗎？為什么重力的速度，你可以想象它可以取任何值，必須與光速完全相等？也許最重要的是，但我們怎么知道？

想象一下，如果突然使出終極宇宙魔法，讓太陽消失，會發(fā)生什么。如果這樣你就不會看到天空變暗8分20秒，這是光從太陽到地球大約1.5億公里所需要的時間。但萬有引力不一定是相同的。正如牛頓的理論所預(yù)測的那樣，引力有可能是一種瞬時現(xiàn)象，宇宙中所有有質(zhì)量的物體都能同時感受到，跨越浩瀚的宇宙距離。

• 一個關(guān)于行星如何圍繞太陽運行的精確模型，然后太陽以不同的運動方向穿過星系。如果太陽完全消失，牛頓的理論預(yù)測它們將立即以直線飛行，而愛因斯坦的理論預(yù)測內(nèi)行星的軌道運行時間將比外行星短。

在這種假設(shè)情況下會發(fā)生什么？如果太陽在某一特定時刻以某種方式消失，地球會立即以直線飛行嗎？或者地球會繼續(xù)在橢圓軌道上運動8分20秒，直到以光速傳播的不斷變化的引力信號到達(dá)地球時才偏離軌道？

如果你問廣義相對論，答案更接近后者，因為不是質(zhì)量決定引力，而是空間的曲率，它是由空間中所有物質(zhì)和能量之和決定的。如果你把太陽拿走，空間就會從彎曲變成平坦，但只是在太陽物理位置上。這種轉(zhuǎn)變的影響會向外輻射，產(chǎn)生非常大的漣漪。引力波——像三維池塘里的漣漪一樣在宇宙中傳播。

• 無論是通過介質(zhì)還是在真空中，每一個傳播的波紋都有一個傳播速度。在任何情況下，傳播速度都不是無限的，理論上，重力波傳播的速度應(yīng)該與宇宙中的最大速度相同:光速。

在相對論的背景下，無論是狹義相對論(在平坦空間中)還是廣義相對論(在任何廣義空間中)，任何運動的速度都是由同樣的東西決定的：它的能量、動量和靜止質(zhì)量。引力波，像任何形式的輻射一樣，有零靜止質(zhì)量，但有有限的能量和動量，這意味著它們沒有選擇：它們必須始終以光速運動。

這有一些有趣的結(jié)果。

1. 任何慣性(非加速)參考系中的觀察者都會看到引力波以光速運動。
2. 不同的觀察者會看到引力波的紅移和藍(lán)移，這是由于所有的影響——比如源/觀察者的運動，引力波的紅移/藍(lán)移，以及宇宙的膨脹——電磁波也會經(jīng)歷這些影響。
3. 因此，地球的引力不是被現(xiàn)在的太陽所吸引，而是被8分20秒之前的太陽所吸引。

空間和時間與光速有關(guān)這一簡單的事實意味著所有這些表述都必須是正確的。

• 當(dāng)一個質(zhì)量繞另一個質(zhì)量運行時，就會發(fā)出引力輻射，這意味著在足夠長的時間尺度內(nèi)，軌道會衰減。在第一個黑洞蒸發(fā)之前，假設(shè)之前沒有其他物質(zhì)噴射過地球，地球就會螺旋上升進(jìn)入太陽的任何剩余部分。地球被吸引到大約8分鐘前太陽所在的位置，而不是今天的位置。

最后這句話，關(guān)于地球在8分20秒之前被太陽吸引的說法，是牛頓的引力理論和愛因斯坦的廣義相對論之間真正革命性的區(qū)別。它之所以具有革命性，是因為一個簡單的事實：如果引力只是以光速將行星吸引到太陽之前的位置，那么行星的預(yù)測位置將與它們實際觀測到的位置嚴(yán)重不匹配。

牛頓定律要求瞬間的重力速度達(dá)到如此精確的程度，如果這是唯一的約束條件，那么重力的速度肯定比光速快200億倍，認(rèn)識到這一點真是太妙了!但在廣義相對論中，還有另一個效應(yīng):繞太陽運行的行星在運動。當(dāng)一顆行星運動時，你可以把它想象成一個引力脈動，從它上升到下降的不同位置。

• 當(dāng)一個物體穿過一個彎曲的空間時，由于它所處的彎曲空間，它會經(jīng)歷一個加速度。當(dāng)它穿過空間曲率不斷變化的區(qū)域時，它的速度也會產(chǎn)生額外的影響。這兩種效應(yīng)結(jié)合起來，與牛頓引力的預(yù)測結(jié)果略有不同。

在廣義相對論中，與牛頓引力相反，有兩個重要的區(qū)別。當(dāng)然，任何兩個物體都會對另一個物體施加引力，通過彎曲空間或施加一個長程力。但是在廣義相對論中，這兩個額外的部分在起作用:每個物體的速度影響它如何體驗重力，在引力場中發(fā)生的變化也是如此。

有限的重力速度會引起引力場的變化，這與牛頓的預(yù)測大相徑庭，與速度相關(guān)的相互作用的影響也是如此。令人驚訝的是，這兩個效應(yīng)幾乎完全抵消。正是這種對消的微小不精確性，讓我們得以首次測試牛頓的“無限速度”或愛因斯坦的“重力速度等于光速”模型是否符合我們宇宙的物理學(xué)。

為了測試重力的速度是多少，通過觀測，我們需要一個空間曲率很大，引力場很強，加速度很大的系統(tǒng)。理想情況下，我們會選擇一個大的、質(zhì)量大的物體在一個不斷變化的引力場中以一個不斷變化的速度運動的系統(tǒng)。換句話說，我們想要一個系統(tǒng)，在一個很小的空間區(qū)域里，有一對緊密的軌道運行的，可觀測的，高質(zhì)量的物體。

自然與此相配合，因為雙星中子星和雙星黑洞系統(tǒng)都存在。事實上，任何有中子星的系統(tǒng)都有能力被非常精確地測量，如果發(fā)生了一件意外的事情:如果我們的視角與中子星極點發(fā)出的輻射完全一致。如果這種輻射的路徑與我們相交，我們可以在中子星每次旋轉(zhuǎn)時觀察到一個脈沖。

• 雙星脈沖星的軌道衰減率與重力和雙星系統(tǒng)的軌道參數(shù)高度相關(guān)。我們利用雙星脈沖星的數(shù)據(jù)將重力的速度限制在光速的99.8%以內(nèi)，并在LIGO和Virgo探測到引力波之前的幾十年就推斷出引力波的存在。然而，直接探測引力波是科學(xué)進(jìn)程的一個重要部分，如果沒有它，引力波的存在仍然是有疑問的。

作為中子星的軌道，脈沖星攜帶著大量關(guān)于這兩種成分的質(zhì)量和軌道周期的信息。如果你在一個雙星系統(tǒng)中觀察這個脈沖星很長一段時間，因為它是一個非常規(guī)則的脈沖發(fā)射器，你應(yīng)該能夠探測到軌道是否在衰變。如果是，你甚至可以提取出輻射的測量值:它傳播的速度有多快?

愛因斯坦的引力理論的預(yù)測對光速非常敏感，以至于甚至從第一脈沖雙星系統(tǒng)在1980年代發(fā)現(xiàn)，我們有約束重力的速度等于光速的測量誤差只有0.2% !

• 類星體QSO J0842+1835，其路徑在2002年被木星引力改變，間接證實了重力的速度等于光速。

當(dāng)然，這是一個間接的測量。我們在2002年進(jìn)行了第二類間接測量，一次偶然的巧合使地球、木星和一個非常強的射電類星體(QSO J0842+1835)沿著同一條視線排列。當(dāng)木星在地球和類星體之間移動時，木星的引力彎曲允許我們間接地測量重力的速度。

結(jié)果是確定的：他們絕對排除了引力效應(yīng)傳播的無限速度。僅通過這些觀測，科學(xué)家們就確定了重力的速度在2.55×108 m/s和3.81×108 m/s之間，完全符合愛因斯坦299,792,458 m/s的預(yù)測。

• 兩顆合并中子星的藝術(shù)家插圖。波浪形的時空網(wǎng)格表示碰撞產(chǎn)生的引力波，而窄光束則是在引力波(天文學(xué)家探測到的伽馬射線爆發(fā))幾秒鐘后射出的伽馬射線束。引力波和輻射必須以相同的速度傳播，精確到15位有效數(shù)字。

但是，引力的速度等于光速的最有力證據(jù)來自2017年對一顆千諾娃星的觀測:兩顆中子星的吸氣和合并。一個壯觀的多信使天文學(xué)的例子，引力波信號首先到達(dá)，記錄在LIGO和室女座探測器。然后，1.7秒后，第一個電磁(光)信號到達(dá)了：來自爆炸災(zāi)難的高能伽馬射線。

因為這個事件發(fā)生在1.3億光年之外，重力和光的信號到達(dá)時的時間差小于2秒，所以我們可以限制重力與光速之間可能的偏離。我們現(xiàn)在知道，根據(jù)這個，它們的差值小于10^15分之1，或者說小于光速的1 千萬億分之一。

• 長時間以來被認(rèn)為是由中子星合并而來的快速伽馬暴。它們周圍富含氣體的環(huán)境可以延遲信號的到達(dá)，這解釋了觀測到的重力信號和電磁信號到達(dá)之間的1.7秒差異。

當(dāng)然，我們認(rèn)為這兩個速度是完全相同的。只要引力波和光子都沒有靜止質(zhì)量，重力的速度就應(yīng)該等于光速。這1.7秒的延遲很可能是由于引力波在不受擾動的情況下穿過物質(zhì)，而光在電磁作用下發(fā)生相互作用，當(dāng)它穿過空間介質(zhì)時，極有可能使它的速度減慢一點點。

重力的速度確實等于光速，盡管我們不是用同樣的方法推導(dǎo)出來的。麥克斯韋把電和磁這兩種以前獨立而又截然不同的現(xiàn)象結(jié)合在一起，而愛因斯坦只是把狹義相對論的理論擴(kuò)展到一般的所有宇宙時間。雖然引力速度等于光速的理論動機(jī)從一開始就存在，但只有通過觀察證實，我們才能確定。引力波確實是以光速傳播的。