光和引力的速度相同嗎？光和引力同時出發，卻為何相差1.7秒到達

在現代物理學中,引力的傳播速度與真空中的光速相同。 引力雖然不是以物質粒子的形式傳遞,而是時空的扭曲, 但其傳播速度被愛因斯坦的廣義相對論確定爲與光速相同。 相對論中有一條重要的規則,據我們所知,所有物體都必須遵守。 如果你在真空中運動時沒有靜止質量,那麼你必然會以光速運動。 這條規則對所有無質量粒子都完全成立,對於質量遠小於其動能的粒子也近似成立, 而對於純粹由引力效應產生的時空無質量聯一,引力波,也應該完全成立。 無論引力本身是否具有量子性質,引力的速度都必須精確等於光速。 至少,如果我們假設現有的物理定律是正確的,那麼這是必然的。 然而,當我們首次觀測到中子星並核事件時,無論是引力波還是光波, 都探測到了來自約1.3億光年之外的引力波信號。 結果顯示,引力波比光波先到達,而且到達時間明顯早了近兩秒。 這是爲什麼呢?儘管信號來自如此遙遠的地方,但距離本身不應該成爲影響因素。 如果信號是同時產生的,並且傳播速度相同,路徑相同,那麼它們也應該同時到達。 最初,這曾是一個謎,有幾種相互競爭的理論試圖解釋它。 然而,現在我們已經收集了足夠多的關於這些事件以及宇宙其他部分的數據,其中一種解釋脫穎而出。 以下解釋了爲什麼我們認爲,即使引力波和光波的傳播速度完全相同, 光波的到達時間仍然相對於觀測到的引力波信號存在延遲。 2017年8月17日,來自1.3億光年之外的事件信號終於抵達地球。 在遙遠的翹狀橢圓星系NGC4993的某個地方,兩顆中子星陷入了引力作用的糾纏, 它們以接近光速的速度相互環繞。 由於它們的質量以及相對於彎曲空間的運動,它們的環繞扭曲了時空結構。 當物體在彎曲空間中加速運動時,它們會釋放出微弱的,所有光學望遠鏡都無法探測到的輻射,引力輻射。 這些引力波如同時空結構中的聯一,將能量從系統中帶走,並導致它們的相互軌道衰減。 隨着時間的推移,這兩顆中子星開始螺旋式的運動,引力波帶走了它們的軌道能量,導致這兩個天體越來越靠近。 在某個關鍵時刻,這兩顆恆星殘骸螺旋式地靠近到如此之近,以至於它們發生了物理接觸。 接下來發生的事情成爲了有史以來最壯觀的科學發現之一。 這兩顆恆星碰撞的瞬間,引力波信號戛然而止。 Vigo和Virgo探測器觀測到的所有信號都來自它們相互旋進的階段,直到碰撞瞬間,之後引力波信號完全消失。 根據我們目前最佳的理論模型,這是兩顆中子星相互旋進並最終合併的過程,很可能導致一個驚人的結果——黑洞的形成。 然而,意想不到的事情發生了。 1.7秒後,在引力波信號消失之後,第一個電磁信號抵達,伽瑪射線,它們以一次巨大的爆發形式出現。 結合引力波和電磁波數據,我們比以往任何引力波事件都更精確地確定了此次事件的位置。 在接下來的幾周裏,隨着近百座專業天文臺監測到這場中子星併合事件的壯觀餘暉,其他波段的光也開始抵達。 一方面,這的確令人驚歎,我們經歷了一場發生在約1.3億光年之外的事件如此遙遠,以至於光需要1.3億年的時間才能從事件發生的星系傳播到我們的眼前。 在星系合併發生之時,地球與現在截然不同,鳥類出現至今僅有兩千萬年,有胎盤的哺乳動物也只有一千萬年。 第一批開花植物纔剛剛萌芽,而體型最大的恐龍尚未出現,它們要到地球未來三千萬年後纔會出現。 從那時到現在,這場事件產生的光和引力波一直在宇宙中穿梭,它們以各自的速度,光速和引力速度,傳播,最終歷經1.3億年的漫長旅程抵達地球。 首先,來自玄鏡階段的引力波到達,使我們引力波探測器上的鏡子移動了極其微小的距離,不到單個質子大小的萬分之一。 然後,就在引力波信號結束後1.7秒,來自該事件的低速光也到達了。 這立即爲我們提供了迄今爲止最令人矚目的引力速度物理測量結果,它與光速的誤差小於萬億分之一,因爲大約四千萬億秒相當於一億三千萬億年,而且兩者到達的時間相隔不到兩秒。 在此之前,我們有充分的理論依據認爲引力速度應該等於光速,但只有間接的約束條件,即兩者相等的誤差在0.2%左右。 僅憑一次觀測,我們就將約束條件提高了超過12個數量級,這代表了有史以來單次測量取得的最大飛躍。 那麼,這是否意味着引力速度和光速並不完全相等?或許引力的速度略快於真空中的光速c,又或許光本身的速度實際上略慢於c,彷彿它具有微小但非0的靜止質量。 那將是一個驚人的發現,但可能性極低。 如果真是如此,不同能量的光傳播速度就會不同,而這種差異所需的程度遠遠超出了觀測結果的合理範圍。 簡單來說,如果光具有非0靜止質量,並且這個質量足以解釋爲什麼引力波在穿越一三億光年的宇宙後比光速提前1.7秒到達,那麼我們就會觀測到傳播速度遠低於光速的無線電波,慢到與我們已觀測到的現象不符。 但這沒關係,在物理學中,我們完全可以考慮所有可能的解釋來解釋觀測到的難題。 如果我們工作做得正確,那麼我們就能考慮所有可能的解釋,並將數據逐一進行比對,最終只剩下一個例外。 真正的挑戰在於找到一個能夠解釋所有觀測結果,並且還能有效預測應該出現哪些信號以及實際出現哪些信號的正確解釋。 我們認爲我們已經找到了,關鍵在於思考正在合併的天體,其中起作用的物理機制,以及它們可能產生的信號。 我們之前已經分析過引力波,詳細闡述了它們在旋進階段的產生方式以及合併完成後如何消失。 現在是時候更深入地探討一下光了。 在兩顆中子星碰撞之前,它們並沒有產生任何額外的光,它們只是像其他中子星一樣發光,光線微弱,溫度極高,但表面積極小。 而且以我們目前的技術,從1.3億光年之外根本無法探測到。 中子星不像黑洞,它們不是點狀的,相反,它們是緻密天體,通常直徑在20到40公里之間,但密度卻比原子核還要高。 之所以稱之爲中子星,是因爲它們約90%的成分是中子,只有其他原子核和少量電子位於外緣。 當兩顆中子星碰撞時,可能會出現三種結果。 它們分別是,你可以形成另一顆中子星,如果你的總質量小於太陽質量的2.5倍,你就會這樣做,你可以短暫地形成一顆新的中子星, 然後它會在不到一秒的時間內坍縮成黑洞。 如果你的總質量介於2.5到2.8個太陽質量之間,或者,如果你的總質量大於2.8個太陽質量,你可以直接形成黑洞,而無需經過中間的中子星階段。 從此次事件產生的引力波信號來看,我們知道該事件屬於第二類,合併即合併後的信號僅存在數百毫秒便瞬間消失。 這表明中子星形成的時間很短,隨後事件世界形成併吞噬了整個中子星,然而,光仍然溢散出來。 下一個問題很簡單,它是如何產生的? 我們觀測到的光是如何產生的? 我們想到了三種可能性。 第一種是中子星接觸後立即產生,通過其表面發生的反應過程產生。 第二種是物質噴射出來後,與周圍物質碰撞併產生光。 第三種是中子星內部反應產生能量。 在每種情況下,引力波一旦產生信號就會不受干擾地傳播,但光需要額外的時間才能傳播出去。 如果是第一種情況,即中子星合併時,兩顆中子星接觸瞬間就會產生光,那麼這些光會立即發射出去,因此必然會因爲穿過中子星周圍的環境而有所延遲。 由於每顆高速運動的中子星表面都帶有帶電粒子和強磁場,它們必然會從另一顆中子星剝離並噴射物質,因此該環境必須富含物質。 如果是第二種或第三種情況,中子星合併時會產生光,但這些光只有在經過一定時間後纔會發射出去, 要麼是因爲被噴射出的物質撞擊到星周物質中,要麼是因爲中子星內部產生的光到達表面。 在這兩種情況下,也可能同時存在延遲發射和周圍物質減緩到達兩種情況。 以上任何一種情況都能很好地解釋光箱對於引力波到達時間的1.7秒延遲。 但在2019年4月25日,我們觀測到了另一次中子星併合事件,其引力波質量比GW170817更大。 這次併合沒有發出任何類型的光,這與之前的假設相悖。 看來中子星並不會立即產生光,而是在引力波發射之後纔會發出光。 儘管現在已經是2025年,我們已經通過引力波直接探測到多次中子星併合事件,但GW170817仍然是唯一一次多信室事件。 我們觀測到的光信號和引力波信號均來自同一次中子星併合。 引力波天文學的精確度令人驚歎,我們能夠重建所有觀測結果。 加上2017年事件的後續電磁觀測,我們已經明確證明,宇宙中最重的元素,包括金、鉢、鏈和鈾,確實源於這些中子星併合事件。 但或許並非所有中子星併合事件都會產生這些元素,也許只有那些沒有立即形成黑洞的併合事件纔會產生元素週期表上最重的元素。 產生這些元素,以及伴隨氫新星爆發的光,需要噴射出的物質或中子星內部的反應,這種光只有在引力波信號消失後纔會產生,並且可能由於需要穿過星周物質而進一步延遲。 這就是爲什麼,儘管光和引力在真空中都以光速傳播,但我們觀測到的光卻是在引力波信號消失近兩秒後纔到達的。 隨着我們收集和觀測更多此類事件,我們將能夠最終證實並完善這一圖景。 引力雖然無處不在,無時不有,但是有關引力的問題卻是科學家們最糾結的問題,至今科學界還不敢說引力的本質到底是什麼。 有關引力的速度,更是科學家們千方百計迴避的問題。 課本中這方面的內容只是肯定地告訴學生,引力的速度就是光速,但是任何一位有獨立思考能力的學生都會根據已有的現象產生懷疑,引力的速度真的是光速嗎? 量子力學認爲引力是通過一種沒有質量,永遠相系的假想粒子,引粒子來傳遞引力的,引粒子的傳播速度是光速。 廣義相對論認爲引力是由質量的物體導致時空彎曲的結果,質量的改變或物體位置的改變會以引力波的形式向外輻射,從而把時空彎曲的改變以光速傳播開來。 而牛頓本人則認爲兩個物體之間的引力是瞬間傳遞的,也就是說,引力的速度是無窮大。 到底引力的速度是多少?隨着牛頓的理論被愛因斯坦的理論取代,科學界也把引力的速度認定爲光速,因爲關於速度問題,還有個最大的限制,愛因斯坦說,宇宙中最大的速度就是光速,沒有比光速更大的速度了。 由此可見,引力的速度也不能超過光速。 無論是根據牛頓的萬有引力定律還是愛因斯坦的時空彎曲理論,都不難發現,一個物體的引力大小和方向與太陽光的輻射很相似,太陽發出的光是以球形向四面八方輻射開來的。 引力作用也是以球形向四面八方傳播的,距離太陽越近,接收到的陽光也就越多,引力也就越大。 離太陽遠了,陽光和引力也就小了,這一點是科學界都認同的,但是當牽扯到速度時,引力與光好像就分家了,科學家們的觀點也因此分家了。 由於光的傳播速度是光速,太陽光到達地球需要8.3分鐘,因此我們看到的太陽光是太陽在8.3分鐘之前發出的,也就是說,我們看到的太陽是8.3分鐘之前的太陽。 實際上太陽現在已經不在那個位置了,它的實際位置在我們看到的太陽前面22角秒的地方,也就是說,我們的眼睛分別與視覺太陽和實際太陽各連一條線,這兩條線是一個以我們爲頂點的22角秒的角。 這一點不難理解,這個現象已經被科學家發現了近300年了,由於太陽不斷向外發射着光子,地球也就時刻接受着陽光的擊打,而地球在圍繞太陽運動,因此地球是迎着太陽光的擊打運動的。 光子雖然沒有靜止質量,但運動的光子對物體還是會產生一種力的作用,這種作用叫光壓。太陽產生的光壓方向並不是在地球的正側面,而是在地球的側前方。 就像我們在沒有風的雨地裏跑,雨是從側前方打到我們身上一樣,太陽光子從側前方朝地球打來,這就對地球有一個向外和向後的壓力,但小小的光子相對於地球來說太渺小了,光壓作用幾乎可以忽略,因此對地球的運動沒有產生什麼明顯的影響。 但是圍繞着太陽旋轉的小塵埃就不一樣了,側前方的光子擊打在塵埃上,也是會產生向外和向後的壓力,這向後的壓力對塵埃的運動就是一種阻力,會導致塵埃的旋轉速度越來越慢。 而雖然有一個向外的光壓,但相對於引力來說就太小了,因此在太陽的引力下,小塵埃就會慢慢地落向太陽,現在我們回過頭來說一說引力,太陽在空間中的位置變動了,那麼它發出引力的位置也就變了,這種變化如何傳達給地球呢? 愛因斯坦認爲引力場的變化會通過引力波向外傳播,量子理論認爲是通過引力子傳遞給地球,無論是引力子還是引力波,其傳播速度都被認爲是光速,如果引力的傳播是光速,那麼與光子的傳播是同樣的道理,太陽同時發出的光子和引力波在8.3分鐘以後同時到達地球。 但是引力體現的是一種吸引力,與光壓方向正好相反,前面已經說了,光壓是在地球側前方阻礙地球向前運動,那麼引力就是在地球側前方拉地球向前運動,就是說太陽的引力會拉動天體的運動。 但是引力要遠遠大於光壓,這樣說來,那些圍繞太陽旋轉的塵埃顆粒的速度會越來越快,就會越來越遠離太陽,同樣,地球也會體現出公轉速度越來越快,越來越遠離太陽的情況。 想象下去,最終太陽系的所有天體都會逐漸遠離太陽,同樣的道理,宇宙中的所有圍繞其他天體旋轉的星球也都會相互遠離,但這種情況並沒有發生,太陽系現在還是安穩的太陽系,宇宙現在也還是平穩的宇宙。 這說明了什麼?這說明了如果引力的速度是光速的假設是不成立的,科學家估計,引力的速度至少超過光速一億倍。也許有人會說,有可能引力的速度就是光速,只是還存在我們不瞭解的某種因素,這種因素正好能夠抵消引力對天體的拉力。 這完全是有可能的,畢竟我們對宇宙的瞭解還很少。那麼我們就換一種探測方法,既然引力對物體速度的影響有可能被某種因素抵消掉,但引力的方向總不可能被抵消吧,那麼我們就可以通過探測地球受到太陽的引力方向來推測引力的傳播速度。 與上述光的傳播同樣道理,如果我們測出地球受到的引力方向是指向視覺太陽的,那麼我們就只能說引力的速度與光速相當。如果是指向實際太陽的,那麼我們就可以判斷引力的速度遠遠大於光速。可是如何精準探測地球受到太陽引力的方向呢? 物理上,探測物體受力方向一般是測量其加速度方向,而探測加速度方向可以通過極短時間內物體位置的變動來探測。而極短時間內地球位置的變動又如何探測呢?極短時間可以測得,但在茫茫太空中地球位置的變動又如何探測呢?太空中可沒有一個固定的目標可以讓你做參考。 於是我們可以想個辦法,宇宙中有一種天體叫脈衝星,它的自轉極快,自轉一圈一般是0.01秒到數秒不等,並且它的兩個磁極會噴射兩道光束,這兩道光束像探照燈一樣定時在宇宙空間中掃來掃去,有的脈衝星的光束也會掃射到地球上來。 由於同一個脈衝星自轉週期是長期不變的,所以通過脈衝星掃過地球的週期變化,我們就可以知道地球在宇宙空間中的位置變化。 因爲地球位置變動了,脈衝星掃過來的時間間隔就會發生微小的變化,或者增長,或者縮短。 就像海邊的燈塔一樣,船如果順着燈塔轉的方向前進,由於船往前開了一段路,所以燈塔每轉一圈,燈光射到船上的時間就要晚一些,長一些,反之,如果迎着燈塔前進,燈光射到船上的時間就要早一些,短一些。 根據這個原理,我們就可以計算出不到一秒的時間內地球位置的變動,再進而計算出地球運動的加速度方向。 出乎意料的是,科學家無論採用哪個脈衝星計算,得出的結果都是,地球受到太陽的引力方向是指向實際太陽的。 這就等於說,地球與太陽之間的引力傳遞幾乎是瞬間的。 其實天文學家在利用牛頓定律計算星球之間的引力時,不論兩個星球之間的距離有多遠,都無視引力的速度問題,把引力的傳遞當成瞬間的。 這樣做也從來沒有出過問題。 如果還有人懷疑利用脈衝星計算地球受力方向的準確性的話,我們還可以根據一種常見的天文現象來形象的解釋。 我們知道,日時是地球、月亮和太陽三者正好在一條直線上的時候,月亮遮住了太陽光而形成的天文現象。 但你知道不知道,日時發生時,地球、月亮和太陽實際上並不是在一條直線上,而是比地、月、日實際連成一線的時間提前將近40秒的樣子。 這是怎麼回事呢? 原來由於地球順着自轉方向繞太陽公轉,月亮順着地球自轉的方向繞地球公轉,所以在地球上看起來,月亮和太陽的運動方向相同。 月亮大約29.5天繞地球一圈,在這期間月亮會從地球和太陽之間穿過,有時就會造成日時。 日時發生時,從地球上看,就是月亮追上太陽,並把它遮住,然後超過它。 雖然月亮距離我們要比太陽近多了,是日地距離的四百分之一,月亮上的信息傳遞過來需要1.2秒多一點的時間。 如果把這個時間忽略的話,在地球上看日時發生的過程時,月亮沿着太陽運動的方向移動,首先遮住的是8.3分鐘以前太陽發出的光,於是日時就發生了。 但這時實際太陽早就向前移動了,月亮並沒有遮住它,經過大約40秒的時間,月亮就會追上太陽並遮住它,這時,月亮、地球和太陽才真正在一條線上。 現在我們再研究一下日時發生的過程中的引力問題。 在日時發生時,地球受到太陽和月亮的引力方向連成一線,它們對地球的潮汐作用會疊加,達到最大。 但是,每次發生日時時,我們測量潮汐作用引力最大的時間並不是日時發生的時間,而是退後大約40秒,與地、月、日實際連成一線的時間幾乎同時。 如果引力的傳播速度是光速,那麼地球上潮汐最強的時刻應該會提前40秒纔對,但實際情況卻不是這樣。 這說明光的傳播需要時間,而引力的傳播卻幾乎不需要時間。 還有,黑洞對引力的速度是光速也提出了異議。 黑洞是大質量恆星晚年超新星爆炸後形成的,黑洞一形成,極大的引力連光速運動的光子都無法逃出,這是大家都知道的。 雖然黑洞讓光子都無法逃出,但引力卻依然存在,那麼引力波或引力子是如何逃出黑洞,影響遠處的天體的呢? 可能的解釋就是,要麼引力的速度遠超過光速,要麼引力的傳播不是靠引力波或引力子。 對此,黑洞專家是這樣解釋的,黑洞周圍的引力場在黑洞形成之前的瞬間就凍結了,因此引力場不受黑洞的影響,仍然會對遠處的天體產生引力作用。 但是,既然黑洞的引力場已經凍結了,如果兩個黑洞相互繞轉會出現什麼情況呢?如果碰撞在一起呢?顯然兩個黑洞的引力場是不斷變化的,一個凍結的引力場如何解釋兩個黑洞相互繞轉的情況呢? 這些問題都說明我們不能強制地給引力賦予光速這麼小的速度,這也說明引力的本質很可能是現在的理論都還沒有說清的祕密。 認爲引力很可能不是一種單獨的力,而是其他相互作用的一種表現,例如是物質分子運動的一種體現。 如果引力是在物質密佈的空間中通過分子之間的影響來起作用的話,那麼引力的傳遞好像是瞬間的就容易理解了,因爲分子之間的距離是非常短的,力的傳遞幾乎不需要時間。 也可能引力的傳遞可以類比電流,感覺上電流的傳播幾乎是瞬間的,這裏一開電閘,遠處的燈泡馬上就亮了。 但實際上並不是電閘這裏的電子順着電線跑到遠處的燈泡上把燈泡點亮的,因爲單個電子在導線中運動的速度只有每秒幾毫米到幾米的樣子。 電流的傳播是電場的傳播,電閘一開,電場讓電路中的所有電子接到了馬上運動的命令,從而線路上馬上就有了電流。 這裏電場的傳播速度與電子的運動速度差了至少上一倍,很可能引力子或引力波的運動速度與引力場的傳播速度也不同,也相差至少上一倍。 如果引力子或引力波的運動速度是光速,那麼引力場的傳播速度就是光速的上一倍。 但是還有一個問題,那就是天體牽動周圍物質的運動,也需要超光速纔行。 宇宙在大範圍中很可能就像大塊頭的生命一樣,一舉手一投足的幾秒內都牽扯多少光年的距離,如果這樣認爲,上面的不解之謎就都能解開了。 但如果是這樣,引力的本質又是什麼呢? 愛因斯坦的廣義相對論預言,天體在做變速運動時會發射引力波,比如兩顆恆星彼此繞着對方轉時,就會以輻射引力波的形式損失能量。 因爲在廣義相對論中,引力被解釋成空間的彎曲,所以引力波就是空間本身的波動。 但這種波動是非常小的,傳播到地球上那就更微乎其微了。 這就是我們一直沒有直接探測到引力波的原因。 在地球上,倘若要直接探測引力波,需要藉助非常精密的儀器。 比如鑑於德國的一架引力波探測器,其精度達到這樣的程度,哪怕從地球到太陽這麼長的距離之內發生僅相當於一個原子長度的變化,也能探測到。 不過,且慢,要直接探測引力波,無疑要藉助高科技,那麼間接的探測引力波引起的效應呢? 其實我們只要擁有一架光學望遠鏡和一塊描表即可。 美國德克薩斯大學的一位天文學家用手頭的這兩樣東西最近就做到了這一點。 他觀測的是由一對白矮星組成的雙星系統,叫GO651,其公轉週期是12.75秒。 他發現,它們現在的公轉週期比一年前快了四分之一微秒。 他把這歸因於白矮星輻射引力波,損失了能量,導致距離縮短,速度加快。 你或許會說,我手頭的描表可沒法測四分之一微秒這麼短的時間呀。 不要緊,這個微小變化會不斷積累,直到可以讓你的描表也能測量。 比如,下一次星矢集在我們的視線範圍內,兩顆白矮星中一顆擋住另一顆時, 星矢持續的時間比起假設它們從未輻射引力波,將縮短大約六秒鐘。 其實用類似的辦法,早在上個世紀六十年代,天文學家就已經間接探測到了引力波。 不過當時他們觀測的是脈衝星,而觀測脈衝星需要藉助射電望遠鏡,這可不是我們一般人能做到的。 回望這場橫跨1.3億光年的宇宙訊號,我們終於明白光與引力波的確以同樣的速度穿越時空, 但它們的出發條件、逃逸路徑卻完全不同。 光需要突破熾熱、緻密的物質外殼,而引力波則能毫無阻礙地穿過宇宙,從爆發瞬間就直奔而來。 那1.7秒的延遲,不是速度差,而是宇宙在告訴我們不同的信使,揭示着同一個真相的不同面向。 引力的速度是否真的等於光速?至少在今天,我們的答案比以往更接近真相,但宇宙還藏着更多尚未揭開的祕密。 感謝觀看,我們下一次繼續一起探索宇宙最深處的疑問。