探究電磁波與引力波之異同

毛思揚(yáng)

引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用以及弱相互作用，是物質(zhì)世界的4大基本相互作用。關(guān)于統(tǒng)一這4種基本相互作用的研究，也一直是現(xiàn)代理論物理的前沿課題。1864年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了完整的麥克斯韋方程組，同時(shí)預(yù)言了電磁波的存在。23年后，德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。1916年，愛(ài)因斯坦利用其建立的引力場(chǎng)方程預(yù)言了引力波的存在。100年后，位于美國(guó)的LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家們宣布：人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波。下面我們就從理論基礎(chǔ)、波動(dòng)性質(zhì)、探測(cè)方法3個(gè)角度出發(fā)，詳細(xì)地比較電磁波與引力波的異同。

1 理論基礎(chǔ)之比較

1.1 電磁波的理論基礎(chǔ)

在麥克斯韋之前，關(guān)于電磁現(xiàn)象就已經(jīng)有了若干基本的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，包括描述電場(chǎng)的庫(kù)侖定律，描述磁場(chǎng)的畢奧—薩伐爾定律以及法拉第電磁感應(yīng)定律等等。麥克斯韋重新審視了這些電磁學(xué)規(guī)律，并創(chuàng)造性提出了位移電流的概念，最終把這些規(guī)律統(tǒng)一成麥克斯韋方程組。在麥克斯韋理論建立，特別是電磁波被發(fā)現(xiàn)之后，關(guān)于電磁現(xiàn)象在不同慣性參考系之間變換的問(wèn)題，卻遲遲得不到解決。在1905年，愛(ài)因斯坦在開(kāi)創(chuàng)性的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中，提出電磁波在不同慣性參考系之間滿(mǎn)足洛倫茲變換而非伽利略變換，并由此建立了狹義相對(duì)論。可以說(shuō)，電磁波的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組和狹義相對(duì)論。

1.2 引力波的理論基礎(chǔ)

狹義相對(duì)論不僅解決了電磁學(xué)中參考系之間變換的問(wèn)題，更顛覆了人們對(duì)于四維時(shí)空的認(rèn)識(shí)。1916年，愛(ài)因斯坦推廣了狹義相對(duì)論中有關(guān)慣性參考系的研究成果，利用慣性系中萬(wàn)有引力與慣性力等效的原理，建立了用黎曼幾何語(yǔ)言描述的適用于一切參考系的廣義相對(duì)論。這個(gè)理論的核心方程是引力場(chǎng)方程，而引力場(chǎng)方程的重要推論就是引力波的存在。廣義相對(duì)論是基于狹義相對(duì)論的，它認(rèn)為引力是由于時(shí)空的幾何畸變引起的。從這個(gè)角度看，引力并不是傳統(tǒng)意義上的力。

值得注意的是：雖然描述電磁波的麥克斯韋場(chǎng)方程和描述引力波的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程差異很大，但它們有著共同的理論基礎(chǔ)——狹義相對(duì)論。

2 波動(dòng)性質(zhì)之比較

電磁波和引力波都是波動(dòng)現(xiàn)象，也均滿(mǎn)足波動(dòng)方程。但是，它們?cè)诓▌?dòng)的性質(zhì)上存在很多差別。

2.1 電磁波的波動(dòng)性質(zhì)

根據(jù)麥克斯韋方程，靜止的電荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，穩(wěn)定的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而加速運(yùn)動(dòng)的電荷或者隨時(shí)間變化的電流會(huì)向空間輻射電磁波。因此，電磁場(chǎng)的源是電荷和電流，而電磁波的源是變化的電荷和變化的電流。電磁波是橫波，在真空中以光速傳播。電磁波還具有能量、動(dòng)量、角動(dòng)量等物質(zhì)屬性，因此可以看成是一種特殊的物質(zhì)。特別的，由于麥克斯韋方程組是線性方程，因此電磁波滿(mǎn)足波的疊加原理，會(huì)發(fā)生類(lèi)似于機(jī)械波的反射、衍射、干涉等效應(yīng)。

2.2 引力波的波動(dòng)性質(zhì)

廣義相對(duì)論認(rèn)為引力來(lái)源于被質(zhì)量或能量彎曲了的時(shí)空。大質(zhì)量的物體會(huì)扭曲時(shí)空，而其它物體會(huì)選擇扭曲時(shí)空中的最短路徑運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物質(zhì)的分布發(fā)生改變時(shí)，時(shí)空的變化也會(huì)隨之傳播出去。這種時(shí)空的擾動(dòng)就是引力波。愛(ài)因斯坦通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，物體質(zhì)量或者速度的改變都會(huì)產(chǎn)生引力波。

因此，引力場(chǎng)的源是質(zhì)量，而引力波的源是質(zhì)量的變化。引力波也是一種橫波，以光速傳播。由于引力場(chǎng)方程具有高度的非線性，因此引力波不會(huì)像電磁波那樣具有反射、干涉、衍射等性質(zhì)，也不滿(mǎn)足波的疊加原理。

3 探測(cè)方法之比較

3.1 電磁波的探測(cè)方法

由于電磁波的源是變化的電荷和變化的電流，因此實(shí)驗(yàn)上可以通過(guò)構(gòu)造振蕩電路來(lái)產(chǎn)生電磁波。最簡(jiǎn)單的振蕩電路就是由電容和電感組成的LC振蕩電路。電容器在電路中不斷地放電和充電，從而實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能之間的相互轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過(guò)程中，電路中隨時(shí)間周期性變化的電流會(huì)向外不斷輻射電磁波，通過(guò)檢波器即可探測(cè)到這個(gè)電磁波信號(hào)。德國(guó)物理學(xué)家赫茲最早進(jìn)行了類(lèi)似實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)創(chuàng)了電磁波應(yīng)用的新時(shí)代。

3.2 引力波的探測(cè)方法

原則上，任何質(zhì)量的變化都可以產(chǎn)生引力波，但由于引力波比較微弱，這就給探測(cè)引力波帶來(lái)了很多的困難。為了探測(cè)引力波，科學(xué)家朝著兩個(gè)方面去努力：一方面是研究新的探測(cè)方法以提高探測(cè)儀器的靈敏度；另一方面是尋找強(qiáng)大的引力波源。在探測(cè)儀器方面，利用邁克爾遜干涉儀改進(jìn)而成的激光干涉引力波探測(cè)儀，靈敏度很高，可以從地球震動(dòng)、電子噪音中分辨出引力波信號(hào)。在引力波源方面，天體的質(zhì)量巨大，其質(zhì)量的重新分布或加速運(yùn)動(dòng)都可能產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)上可以檢測(cè)的引力波，比如星體的旋轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)、黑洞合并等等。LIGO探測(cè)器探測(cè)到的引力波，實(shí)際上就是十幾億年前兩個(gè)黑洞合并所產(chǎn)生的。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文中，我們從理論基礎(chǔ)、波動(dòng)性質(zhì)、探測(cè)方法三個(gè)方面，比較了電磁波和引力波的異同。引力波的成功探測(cè)，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙世界的一次飛躍。它不僅為檢驗(yàn)廣義相對(duì)論提供了一個(gè)平臺(tái)，更將推動(dòng)包括電磁力、引力在內(nèi)的自然界基本相互作用大統(tǒng)一理論的研究。