引力波使得地球以光速进行伸缩动作，如何克服地球巨大惯性的？

2017 年 10 月 13 日 中科院高能所 张双南

这个问题非常不简单！事实上，发现引力波的团队所做的演示引力波的空间扭曲的形变的视频就是用的地球的伸缩扭曲（https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v5），而LIGO实际上探测到了引力波，就是利用了引力波到达使得几十公斤的镜子（用来反射激光而测量镜子的运动）振荡起来了。但是我们都知道，任何物体运动起来都得克服其惯性消耗能量，要使得几十公斤的镜子振荡起来，很显然引力波得传递能量给这个镜子。由于LIGO测量到的是镜子做了仅仅是大约质子的直径千分之一的振荡，当然这个能量实在是非常小。

但是引力波的“强度”实际上是相对尺度的变化，也就是镜子的振荡幅度正比于所测量的基线的长度。例如，如果把LIGO的管道的长度增加很多倍，比如整个地球的直径（LIGO团队提供的引力波测量的动画中，整个地球就是扭曲起来了，如前面链接的视频所示），甚至如果把LIGO放到太空中让镜子相对激光光源几百万甚至上千万公里（类似计划中的欧洲的LISA、中国太极和天琴等项目），那么测量到的镜子振荡的幅度就得按比例增加，岂不是引力波传递给同样的镜子的能量就大大增加了？如果考虑相距很远的另外一个星系里面的镜子的运动呢？仅仅改变了测量的方式，测量到的引力波传递给镜子的能量就变了！实际上，那个星系里面镜子的运动应该和那个星系的运动一样，整个星系都跳起舞了，那得多大的能量？

这看起来非常荒谬怪异是不是？而这就是广义相对论所预言的引力波的性质！

就这个看起来很荒谬怪异的悖论，我曾经请教过国内外多位广义相对论的专家，得到的回答大致是以下几种：1）反正传递给镜子的能量也很小，管他是多少呢，无所谓！2）镜子实际上没有动，没有真的传递能量，实际变化的是度规，所以能够测量到激光干涉信号的变化。3）目前的计算忽略了镜子的质量，如果考虑了镜子的质量，计算就会很复杂，也许不同管道的长度情况下结果会稍微有所不同。

以上几种答案我都不满意。对于答案1），很显然就是没有回答问题。对于答案2），如果镜子没有动，怎么会测量到干涉信号的变化呢？而且LIGO团队自己的解释就是镜子在振荡和地球在扭曲。对于答案3），目前的计算并不是忽略了镜子的质量，而是镜子的质量即使增加很多，它的运动所产生引起的时空变化和引力波信号相比也是完全可以忽略不计的，而且振幅和基线长度成正比是广义相对论的基本预言，不依赖于镜子的质量。

那么到底镜子动了没有、到底地球扭曲了没有？如果动了、扭曲了，怎么解释上面的矛盾呢？

我在最近的一个会议上，请教了国际上引力波领域的权威学者之一Bernard Schutz教授，德国爱因斯坦研究所前任所长，现为英国卡迪夫大学物理学教授，也是LIGO合作组的重要成员之一。同时，他也是国际空间引力波探测计划LISA（Laser Interferometer Space Antenna）的科学组成员，负责协调LISA项目的发展规划。他给我的回答直截了当：这个镜子相对于远处的观测者的确动了，因此可以用激光干涉测量到它的振荡，但是相对于它所处的空间，它没有动，实际上动的是空间。

Bernard Schutz教授在2017年5月26日中国科学院大学主办的“空间引力波探测国际会议”（英文名称：International Symposium on Gravitational Waves）大会上作报告。

张双南在同一个会议上的科普报告。

听明白了吗？肯定没有！那我就解释一下他这句话的深刻道理。爱因斯坦广义相对论的物理基础是建立在等效原理上的，也就是说，在引力场中的自由落体运动（也就是除了引力之外没有其他力的作用，也包括两个天体在引力的作用下相互绕转的运动）的实验室里面的物理过程和自由空间中完全不受力的实验室（也称为惯性参照系）里面的物理过程是一样的。根据等效原理，爱因斯坦得到结论，所谓引力，就是质量引起的时空扭曲的效应。对于外面的观测者，两个物体相互绕转没有走直线，但是它们却是在弯曲的时空里走了最短的路径（就是测地线）。

地球和其它行星绕着太阳转是因为太阳周围的时空弯曲了。

所以当引力波到达LIGO的镜子的时候，镜子所在的地方的空间就产生了扭曲，镜子为了在扭曲的空间里保持静止，只好相对于远处的观测者振荡起来了，而这个振荡并没有消耗引力波的任何能量，实际上是引力波让空间振荡起来了，无论什么东西在这个空间里面都得振荡，但是这个东西的振荡不消耗任何能量，因为它相对于它所处的空间并没有运动，只是空间相对于远处的观测者（激光器）在振荡，所以用激光干涉仪就能够测量到镜子的振荡。

空间膨胀能够产生超光速“运动”。

实际上，镜子的振荡的道理和宇宙的膨胀差不多。宇宙的膨胀实际上是就是空间的膨胀，天体相对于它所处的空间并没有怎么动，我们测量到的天体的膨胀或者退行速度在红移达到1.5的时候就已经是光速了，而这才是离我们很近的这一部分宇宙，更远的、也就是绝大部分宇宙的天体的膨胀或者退行速度都远远大于光速。很显然，这不可能是天体的实际运动速度，只能是空间膨胀的“相对”速度。因为空间的膨胀是一个事件，不同地方的空间之间的相对膨胀并没有因果关系，相对膨胀的速度超过光速并不违反狭义相对论或者任何其他物理规律。当然天体随着膨胀的空间一起膨胀并不需要任何能量，和LIGO的镜子一样。

张双南问答

质量可以转化成能量，能量可以转化成质量吗？

为什么霍金没有获得诺贝尔奖？

原子的内部空间完全是真空的，为什么原子没有因此而塌缩？

意大利Virgo首次探测到引力波引力波究竟是什么波？

什么是科学精神，东西方有何不同？

地球为什么可以自转和公转？

宇宙中有没有自身引力小于自转离心力的天体？

光会受到重力的作用吗？黑洞会发光吗？

什么是黑洞？

地球太阳以及所有天体为什么都是漂浮在太空中？

地球磁场是怎样产生的？火星的磁场为什么会消失？