引力波探测的能量守恒-红米不是手机-万维博客-万维读者网（电脑版）

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		引力波探测的能量守恒	2016-02-25 18:27:08

引力波究竟是如何引起LIGO的反射镜移动的？按照一位参与者的介绍，引力波与物质的相互作用非常弱，它穿过地球只需损耗1e-19J，仅相当于一个X光子的能量。但是，引力波不仅仅是使LIGO的反射镜移动，也同样使地球上所有质点或多或少地移动（也许仅除了其前进方向上）。虽然这个移动量非常小，但鉴于地球庞大的质量，所需能量恐怕也远不止1e-19J吧。

如果引力波不是通过与物质的直接相互作用，而只是造成空间的变化：一个方向上空间被挤压，另一个方向上拉伸，然后再换过来；物质并没有移动，只不过因为空间变了，它们“看起来移动”了而已。然而LIGO对GW150914的观测证明这个移动是可以测量的，因而必然伴随着能量的消耗。那么这个能量来自哪里呢？

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作者：红米不是手机

留言时间：2016-02-29 08:08:12

也谢谢嘎博，不过您的解释太简短，俺要好好思考一下，为什么接收器就相当于C？


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作者：慕容青草

留言时间：2016-02-27 08:32:18

谢谢嘎博的解释，不过我不敢苟同你的看法。。。理解这里的很关键的一点是那个波的特性。。。但最近比较忙，没时间继续讨论这个问题。。。看红米博或万维其他的物理大拿们怎么看这个问题，比如老度，呵呵。。。


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作者：嘎拉哈

留言时间：2016-02-26 19:13:36

1）如果引力波引起的时空变化能被测出，则表明时空中不是所有的东西都跟着做均匀变化。。。

----- 事实上，当参考系A内部的时空发生扭曲时，没有任何物体和物理量，包括时间，空间尺度，的变化，能够在自身的参考系内被感觉到，或者被测量出来。换句话说，它其实什么都没有发生。这就是相对论的绝妙之处，即，变化是相对与不同参照系才有意义。即便是如此，站在平直参考系B的观察者，仍然感觉不到参考系A有任何异常。唯一能够发现“异常”的，是站在第三个参考系的观察者C,通过比较 A,和 B,的时钟，会发现A,B两个时钟不再同步。A,B二人之间的时间矛盾，是通过观察者C所看到的“同时性”的破坏消除的。即，明明是同一个光源发出的光，在C看来，A和B二人会觉得不是同时一个时间发出的。

2）LIGO能用激光来测，那说明在空间长度，时间变化，及光速这三者中，如果空间与时间成比例变化，比如长度缩短1%，时间也变慢1%，那么即便是光速不变，你也测不出变化了。。。LIGO测的是长度的变化，那么时间应该是不变，或至少与长度的变化不成比例才行。。。。

----- 对于LIGO的情况，接收器就相当于 C, 从C看过去，它会发现，两道光的路径形同，时间也没变，唯一不同的，是两道光并不是同时发出的。虽然明明就同一个光源！表现在LIGO的 detector C上面，是相位的不同步。

希望俺的这一段，能够帮助慕容博理解相对论。


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作者：慕容青草

留言时间：2016-02-26 12:57:52

之所以提光速是因为：

1）如果引力波引起的时空变化能被测出，则表明时空中不是所有的东西都跟着做均匀变化。。。

2）LIGO能用激光来测，那说明在空间长度，时间变化，及光速这三者中，如果空间与时间成比例变化，比如长度缩短1%，时间也变慢1%，那么即便是光速不变，你也测不出变化了。。。LIGO测的是长度的变化，那么时间应该是不变，或至少与长度的变化不成比例才行。。。。

如果换成弹簧，这是个有趣的问题。。。为了回答这个问题先要弄清引力波是什么形式的波？就目前对于引力波的报导来看，它有点象孤立子波包或阶梯波，因为它在很短的时间内经过探测仪之后就没有了，所以它并不是持续地在某个地段振动。。。。(这听起来有些奇怪，因为两个黑洞碰撞总不会瞬间完成吧，也就是说应该是一个持续的事件，但是传过来的波为什么只是稍纵即逝呢？)

我上面用孤立子波包表示在波包内还是存在振荡，而不是象阶梯波那样只有一个波峰面。。。网上有人给出引力波的解的图式，是一个振荡的解，不知是否爱因斯坦当初的解，还是现代人自己的解。。。

因为引力波的振幅极小，而且以远大于弹簧的振动频率的光速传播，假设是一个振荡式的波包，如果它的尺度远远小于弹簧的的长度，它应该不会引起弹簧的振动。。。如果是很陡的阶梯波，那么它也应该不会引起弹簧的振动。。。。

所以为了讨论用弹簧的情形，我们必须作如下不现实的假设：

1）引力波的振幅是弹簧长度一个量级的；
2）弹簧的自振频率是光速的倒数的量级；

在这样的前提下，可以作你提出的思想实验：仍假设引力波包极短或峰面极陡，那么假设当波扫到中间时，被扫过的地方的长度缩短了一半，没扫过的地方长度不变，这时因为被扫过的地方“均匀”变化，没有内应力，因此不会引起振动，没扫过的地方也没有内应力，所以也不会振动。。。。。关键是界面处是否会产生弹簧的内应力。。。。

我想这里又引出一个新的问题。。。如果象网上某些文章介绍的那样引力波是一种震荡波而不是阶梯波的话，那就意味着时空不但不是“空”的，是可以弯曲的，而且还存在着反抗弯曲的某种“阻力”。。。。。这是因为只有存在一定形式的“阻力”的情况下才可能产生振动。。。。

既然引力波的解可以由广义相对论推导出来，那么引力波内在“阻力”也应该已经知道了吧？这种“阻力”是耗散性的波阻还是理想弹簧振子模型的非耗散性阻力？

如果对时空反抗弯曲的阻力（这应该是可以由广义相对论得出的）有了了解，就应该能判断引力波是否会在弹簧内产生内应力而引力振动这个问题了（当然是在做了上述的假设的前提下的思想实验）。。。。。

其实，要想对引力波真正了解，还是需要去好好读读广义相对论。。。但是，广义相对论涉及太多数学，年轻的时候遇到这种情况可能还会去读读，现在一把年纪就没有那个兴趣了。。。。。:)

对我来说，通过引力波肯定了空间不是空的，是一种特殊物质，而且如果引力波真是具有震荡波形的话，表明时空不但可以被弯曲，而且似乎还有反抗弯曲的力量。。。。。这对我来说就足够了。。。。。：）

谢谢博主在我那里的讨论。。。不知我这里的酱油也罢，冒泡也罢，对博主的思考是否能有抛砖引玉的作用。。。。呵呵


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作者：红米不是手机

留言时间：2016-02-26 11:56:47

是的，虽然严格说来，我估计光的路径也会受到引力波的影响，只不过这种影响微乎其微，但无论如何光速是不会变的，这是基本假设，所以能测出干涉仪臂长的变化。假如我们用一把无限精确的尺子去量干涉仪的臂长，则应该是测不出变化的，因为尺子本身也会随着空间的振动而伸缩。

由此联想到一个问题。假设我们把干涉仪两端的镜子用弹簧连接起来，在引力波到来时，会发生什么情况？


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作者：慕容青草

留言时间：2016-02-26 10:09:35

LIGO的设计的原理的一个前提是引力波改变时空弯曲的时候并不改变其中的光的运动。。。也就是说光速是不变的。。。因此LIGO用激光在两个不同地方运动的时间差来计算空间距离的变化。。。。。。


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作者：红米不是手机

留言时间：2016-02-26 07:52:21

多谢嘎博的指教。我确实不懂广义相对论，只能用一种类似半经典的方法讨论问题，但我觉得我原文的第二段与您回帖的第三段，所表达的意思是一样的。我只是不太确信这是否是引力波造成振动的真正机制。如果它是，那么LIGO这次探测到的这种振动，就不同于任何机械震动。理论上即使LIGO将所有周围环境中的震动都屏蔽掉，也仍然能够测量引力波造成的振动，因为它是空间本身的振动。我觉得迄今看到的有关引力波的介绍，在这方面解释得不够。

回到能量守恒问题，我想，引力波造成空间扭曲也是需要消耗能量的吧，这也许才是引力波引起物质振动的能量来源？

另外您提到物质如何转化为引力波能，是个很有意思的话题，希望有进一步的讨论。


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作者：嘎拉哈

留言时间：2016-02-25 20:36:28

您似乎还没有理解时空扭曲是个什么玩意。首先，所谓“引力波与物质的相互作用非常弱”，指的是波动形式的时空扭曲，与静态时空扭曲之间的一个重大差别。对于静态时空扭曲，例如地球表面的一点，空间扭曲，引力场，和质量三者之间是互为因果的。即扭曲与引力场是一一对应的。所谓与物质的相互作用，指的就是引力的作用。

引力波是一种以光速传播着的“动态时空扭曲”，与静态时空扭曲不同，它没有“太多的”与之伴随的引力场变化。这便是“引力波与物质的相互作用非常弱”的含义。它甚至没有与之对应的物质质量的产生或者消失。但是，按照现有的引力波理论，它确实有能量与之伴随。这个能量的形式，既非光，也非宇宙射线例子，也非热，但却是真实的。而是引力波自己。至于旋转天体的一小部分物质，是如何以引力波的能量形式被甩出去并却消失的，似乎仍然是一笔糊涂账。

其次，时空扭曲，会导致所有的在空间内的物质一道“没有感觉地”被扭曲。打个比方，假如你所站立的地方发生了时空扭曲，使得垂直方向缩短了一半。虽然您自己不会有任何感觉。但是一个位于足够远处的平直时空里的观察者，会看到你已经变成了一个矮胖子。虽然你自己感觉不到身长缩短了一半，但是光却能够“感觉到”。


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