科学|什么是引力辐射？它和电磁辐射有什么关系？引力波

当爱因斯坦提出广义相对论时，它不仅动摇了200多年来的物理学基础，而且彻底摧毁了人们对时间和空间的固有认知，取而代之的是一个完整可变的时空结构。相对论认为，在四维“时空”中，空间和时间各有自己的维度，时空结构会因为物质和能量的存在而改变，物质和能量的运动方式也会因为时空结构的改变而改变。从引力红移到星光因物质的存在而发生弯曲，这一系列不可思议的预测都证实了相对论的正确性。

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既然，物质/能量的存在会扭曲空间，那么物质的运动可以扰动时空产生涟漪吗？当时爱因斯坦就是这么考虑的，因此预言了引力波的存在，今天我们说下什么是引力波？我们先从一种类型的波开始，这可能是你最熟悉一种波：水波。
最常见的波：水波

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让我们从一个完全静止，平坦的湖面开始。水面一开始保持平静，没有受到任何外力的干扰。这就类似于与一个平整的空间。如果我们把一只昆虫轻轻地放到水面上会发生什么？这就类似于往空间中放了一个有质量物体。

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上图可以看到昆虫轻微地扭曲了水面，这是因为施加在昆虫身上的重力对水表面也施加了一个力，导致了水面的弯曲。如果我们把一个物体从很高的地方扔到水面上，那么我们会看到什么？
我们会看到溅起的水花，然后波浪向四周扩散，这种水波涟漪生活中随处可见。当我们扰动水面时，波/能量会以特定的速度向外传播，这个速度是由波所经过的介质（水）特性决定的。也就是说介质就决定了波的传播速度。
电磁波是如何产生的
如果我们开始观察一个量子化的现象：光波，情况仍然是类似的，但只是不那么直观而已。虽然我们时时刻刻能看到光，但我们从来不会看到光是如何波动的。

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光也可以被看作是在时空中移动的涟漪。它有一种特殊的能量，由其频率/波长决定，它有一个移动的速度，也就是光在它所经过的任何介质中的速度，它朝一个特定的方向移动，这个方向由它产生时的条件所决定，然后沿着时空曲率所决定的路径移动。

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但是这些光是如何产生的呢？一个真正的光子是如何形成的呢？一个方法是来自于粒子（或反粒子）之间的直接相互作用：任何两个相互作用的粒子发生相互作用时，就可以产生光子。但产生光子的概率是有限的。

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但还有另外一种方式，一种更有趣也更相关的方式：带电粒子在磁场中运动。
当带电粒子在磁场中运动时，磁场会改变带电粒子粒子的运动方向，这就是洛伦兹力，其方向总是和粒子的运动方向垂直。但是当一个带电粒子在磁场中移动的时候，它也会以光子的形式发出辐射：低能量的回旋辐射，或者更相对论（或加速）条件下的同步辐射。这就是场和运动的带电粒子的相互作用。
这种辐射不仅发生在地球上的实验环境中，也发生在宇宙的自然实验室中，比如在银河系附近最大、质量最大的星系梅西耶87中心黑洞的“喷流”中。最后，我们来看看引力。

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引力波是如何产生呢？
电有两种电荷（正电荷和负电荷），而万有引力只有一种：质量，或者更准确地说是能量。虽然电场和磁场都可以影响带电粒子，但引力只有一种场叫引力场，是由空间曲率引起的引力场。
然而，在我们的宇宙中，引力和电磁力的情况是一样的：我们有通过引力场运动的“引力带电粒子” 。

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虽然物理学在技术层面上，在细节上有一些细微的变化，但跟电磁力同样的现象也出现了：辐射被发射了出来。然而，在这种情况下，发射的不是电磁辐射，而是引力辐射！以光速穿过时空结构本身的涟漪，在运动时携带着能量。我们也可以从电磁辐射和引力辐射的产生机制中，看到自然界的对称性。