闲聊引力波

这两天观测到引力波这事儿在网上热闹非常，大家突然间对物理有了兴趣， 关于这个问题，网上自然是有各种权威的介绍，不过呢，如果你们吃腻了五星饭店的大餐，换个口味吃点俺的home made的凉拌小豆芽，没准能吃得挺爽，俺呢，这落魄的孔乙己也能给你们讲茴香豆的四种写法，找点存在感，这样也未偿不是一件有趣的事， 所以呢，我就来给大家白话白话什么是引力波，为什么发现引力波如此难，如此重要。

要说引力波呢，自然勉不了说爱因斯坦和广义相对论，也得顺便提一些物理学史上的人与事，说起来话就长了。

作为铺垫，我得先白话两句时空观，牛顿以前人们关于时空的认识比较模糊，没有深思熟虑之后的明确定义，牛顿呢，明确提出了他的所谓绝对时空观，其大意是时间是匀速流动的，空间时刚性平直的，与物质分布运动第无关，为什么时空会有这种绝对的性质呢，那个时代的物理学家不得不借助于一个叫以太的概念，这些已经是形而上的争论了，俺就不扯那么运了，怕收不回来。

作为形而下的物理学，人们满足于牛顿绝对时空观差不多有二百年。到了1860年左右（哈，俺注意到SP500今天收在1860点），就是那个林肯为解放黑奴打美国内战时候，有个英国绅士写出著名的麦克斯韦方程，微信上流传说这是影响人类最重要的10个公式里的第2个（第|个是复数里的那个欧拉方程），这麦克斯韦方程是关于电磁現象的理论---电动力学的基本方程，所有的经典电动力学现象都可以用这个理论描述，当年俺还在大学里给物理系学生讲过这门课, 唉, 想起来也算误过人家的子弟。这个麦克斯韦方程可以描述所有电磁现象，包括电磁波的传播，光也是电磁波你们应该是知道的吧?

麦克斯韦方程的解表明，电磁波也就是光的传播是与坐标无关的，就是所谓的光速不变性。光速不变这个事儿呢，是和牛顿绝对时空观不相容的，所以19世纪后面几十年的物理牛人们难勉感到不爽，做了若干实验，又都证明光速不变是正确的，当时的牛顿力学与电动力学，有点象现在的相讨论和量子力学的关系，两个理论都挺好，描述各自领域的东东都挺准，但两者不相容。

这事咋整呢? 其实当时的牛人们也没啥好办法，睁一只眼，闭一只眼，日子总得过呀。

后来出来一个叫洛仑兹的大牛，他搞出了一个套公式，现在叫洛仑兹变换公式，这个公式就是狭义相对论里的速度变换公式，不过当时的大牛们还是相用修修补补的方法维护牛顿绝对时空观的统治地位。库恩有本书叫科学革命的结构，里面讲了这种通过修改外围东西来维持核心理论的事，有兴趣自己找书看。

这个时候吧，你猜怎着? 哈，俺的偶像登场了, 不过呢, 当时一点也不闪亮.

瑞士专利局的小职员，爱因斯坦，这人有一点跟我一样，特爱瞎琢磨。他吧就琢磨光速变这事没那么简单，它涉及到人类对时空的本质的认识。这里俺得夹带点私货，就是所谓哲学（抽象）时空和物理时空，爱因斯坦觉着物理学里应该用物理时空，牛顿的绝对时空不是物理时空。那位同学问了，嘛叫物理时空，嘛叫抽象时空呢? 这事儿吧，我以前总给人讲不清楚，特犯愁。不过今天想到个好点的比喻，这么根你说吧，你可以用抽象时空琢磨事儿，但你测量一个东西的长短时，你得用一把具体的尺子，测量时间长短也一样，你得有一个具体的表, 所以呢, 搞物理的事儿, 得用物理时空.

白话到这儿，俺想起一笑话，当年俺在那个樱花盛开的地方的蹉跎岁月的时候，有一哥们找了一日本妞儿处对象，但这伙计也是土八路的后代，太行山上下来的, 所以还是有些纠结，说他恨抽象的小鬼子，可不讨厌具体曰本人，咋整? 弟兄们劝他说，你喜欢那妞儿就上呗，又不用你搂着一个抽象的小鬼子婆姨睡觉，哈……

书归正传再来白话俺偶像的相对论，爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，这个理论说相对匀速运动的坐标系是平等的，任何物理现象在不同的，相对匀速运动的生标系中应该用同样形式的物理公式去描述，这个观念叫协变原理，或狭义协变原理。这个理论很牛啊，有些没文化的人想显摆有科学知识的时候，常秀出来的那个E=mc^2，就从这儿推出来的。人们普遍认为就算没有爱因斯坦，也会有人搞出狭相对论，但是，如果没有俺偶像，可能永远也不会有人琢磨出广义相对论。

大概十年后，爱因斯坦提出了广义相对论，广义相对论是从所谓广义协变原理推出来的，广义协变原里是说，物理现象在任何坐标系，不只是相对匀速运动的生标系，而且包括相对有加速运动的坐标系中，描述的方程应该是一样的，这个观念的一个等效说法是惯性质量等于引力质量，广议协变原理必然意味着时间和空间不能分离的，万有引力的本质是物质分布引起时空弯曲。

好不容易啊，终于说到时空弯曲了。

就是说，没有引力那回事，把苹果弄下来砸牛顿头上的原因是地球质量引起时空弯曲造成的。

当然了，虽然牛顿引力理论在本质上弄错了，但数学上作为相对论去掉高阶项后的近似还是很精确的，放心用吧。

据说爱因斯坦琢磨出广义协变原理和时空弯曲这些东西后，由于数学功底不够，补了几年课才写出广义相对论的数学形式。爱因斯坦当时数学上缺的那门东西叫非欧几何。欧就欧几里德了，聪里德几何就是平直空间的几何，典型说法就是平行线永不相交, 或者说, 你在你的空间画一三角形, 量一下三内角之和, 如果是180度呢, 你就在一个平直空间, 你就用欧式几何. 如果大于180度呢, 你就在正曲率空间,如球面, 小于180度呢负曲率, 如马鞍形, 这种情况就要用非欧几何了.

描述时空弯曲的那个黎曼几何老难了，当年学的时候费俺老劲了。

广义相对论的爱因斯坦方程是4维张量偏微分方程，方程左边是表示时空弯曲曲率的张量，右边是表示物质分布的能量动量张量，总之，这个方程表示物质分布如何影响时空曲率。这方程漂亮！ 美！ 真希望更多的人欣赏到这样的美, 不过这个确实有点难. 你们以后显摆的时候，最好用这个方程，前面那个太low了。

这个方程太复杂了，想找个非平庸的解析解是根本没戏的，这才给了俺个机会在美帝的某个大学混了十年干饭，俺在那儿干的话就是做数值摸拟，就是用计算机摸拟两个黑洞，或两中子星碰撞合并时如何辐射引力波，引力波的模式是什么样的。这原本就是作为引力波探测的理论探讨阶段，为的是把找到的可能的引力波的模式设计到Ligo和Lisa中，同时也会用到后来的观察数据分析, 所以说俺对引力波发现还是有那么一点点贡献滴.....

由于万有引力常数非常小，宇宙的大部分区域都可以认为是平直的，只有象强引力物体，象黑洞，中子星周围的时空弯曲才是比较显著的，而且如果单独只有一个黑洞的话，就算它时空弯曲，它也是稳定的，不会有引力波辐射出去。只有两个黑洞碰撞合并成一个更大质量（更小‘体积’, 更pro的词叫'视界'）的时候，时空不仅显著弯曲，而且剧列变化，这才可以辐射出引力波, 其实引力波就是传播着的弯曲时空, 或者说, 某个地方的时空的弯曲传播到了别的地方. 想想看，宇宙虽然大，两个黑洞碰撞的几率有多小，而且引力波是那么微弱，在LIGO刚建好几年内就观测到了引力波，实属非常幸运了。

其实对于象吾等爱因期坦的铁粉来说，有没有观测到其实关系不大，因为爱因斯坦方程那么美的理论，不可能是错的, 对这个俺有宗教般的信仰。

到这里，就到这里吧……