引力波是如何传播的？

　　为了简化讨论，我们先把时间放在一边。我们可以把空间视为某种可以扭曲、振动的弹性介质，因此它可以传播波。自1916年起，爱因斯坦就开始尝试证明他的广义相对论方程包含一个解，这个解能够表征引力波的传播。然而，广义相对论的数学之美与其方程的复杂性不分伯仲。这些方程的一个特点就是它们是非线性的。所谓的非线性，指的是一个系统产生的反应与它所受的刺激并不成正比。正如面对这种问题时研究者常做的那样，爱因斯坦决定先考虑简化后的情况。他把引力波视为对初始的“平坦”时空的微调——即摄动。如预料的一样，他计算出了几种不同类型的引力场振动，而它们均以光速传播。但是他很快就开始怀疑，这些解在物理上是否真实存在。一个疑点与引力波的双重性质有关：引力波既是几何学的，是空（时）间的波动；也是物理学的，是引力场的特征。因此，作为一种自然界中存在的波，引力波的振幅应该能够和一些物理量联系在一起，比如速度、辐射功率等等。在爱因斯坦解出的6种引力波里（用现代物理术语来讲就是6种偏振模式），只有两种既能传递能量又以光速传播。这些波也是横波，如同电磁波一样，也就是说它们只在与传播方向垂直的平面上振动。与此相反，声波是纵波，会在传播的方向上压缩空气。而爱因斯坦得到的其他4个偏振解并不传输能量，传播速度也是随机的。实际上这是个在当时未能被理解的数学问题，问题出在了坐标系的选择上。事实上，相对性原理规定，物理量的值并不随坐标系的选取而发生变化。爱因斯坦选择的坐标系并不完美，用它算出的偏振模式在广义相对论的框架下不是真实存在的。但是，现在研究其他引力理论的物理学家发现，这些偏振解中的某几个具有物理意义。如果能观测到这些偏振模式的话，将有划时代的意义，这能让我们测试超越广义相对论的物理理论。令人琢磨不透的坐标系性质，加上方程的非线性，不仅让涉及广义相对论的物理问题计算起来极为困难，还让结果难以理解。这就是物理学家在20世纪60年代以前都未能理解黑洞视界的原因。1936年左右，爱因斯坦也一度相信自己和纳森·罗森（Nathan Rosen，爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的助手）证明了引力波并不存在。而这个结论与爱因斯坦先前的工作是完全矛盾的。引力波输送的能量以及它与物质系统的相互作用，这些问题看似容易，但实际上非常复杂，以至于物理学家一直在研究这些问题，经过了几十年才能得出初步结论。作者：法国萨瓦大学粒子物理实验室教授、《环球科学》杂志特约专家达米尔布斯库里克（Damir Buskulic），法国图尔大学数学及理论物理实验室副教授、《环球科学》杂志特约专家路易克维兰（Loc Villain）转载请注明来自“科普中国”。