引力波让LIGO的镜子跳起了舞？是什么传递了能量？

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6月1日，著名的LIGO团队宣布再次观测到确凿的引力波事件。这次的事件发生在两个黑洞合并的过程中。引力波的到来，使得LIGO实验中的几十公斤的镜子产生振荡。这些镜子用于反射激光以测量其运动。

刚刚观测到的LIGO引力波事件GW20170104中的两个黑洞合并前的情景引人入胜：它们的轨道面和自转的赤道面并不完全重合，产生了广义相对论的独特效应。图片来源于LIGO。

任何物体的运动都需要消耗能量，要使几十公斤的镜子产生振荡，显然需要引力波传递能量给这个镜子。LIGO所测量到的镜子振荡幅度非常小，只有大约质子直径的千分之一，因此传递的能量非常小。

但引力波的“强度”实际上是相对尺度的变化，即镜子的振荡幅度与测量的基线长度成正比。设想一下，如果LIGO管道的长度增加很多倍，比如整个地球的直径，甚至将LIGO置于太空，让镜子相对于激光光源距离几百万甚至上千万公里，像欧洲LISA、中国的太极和天琴等项目所计划的那样，那么测量到的镜子振荡幅度将会按比例增加。

由此产生的疑问是：如果引力波传递给镜子的能量随着测量方式的变化而增加，那么在遥远的星系中，如果也有一面测量引力波的镜子，那传递给它的能量会是多大？是否意味着整个星系都在舞蹈，需要巨大的能量？

这个疑问看起来似乎非常荒谬。为了解答这个问题，我曾向多位广义相对论专家请教。他们的回答各有侧重，但并没有完全解决我的疑惑。有的认为传递给镜子的能量很小，所以不必深究；有的认为镜子实际上并没有动，度规的变化导致了激光干涉信号的变化；还有的认为目前的计算可能忽略了镜子的质量，但即使考虑镜子的质量，也不会改变振幅和基线长度之间的基本关系。

你是否觉得某些科学概念难以捉摸，如同试图理解飘渺的梦境？广义相对论中的等效原理便是这样一道难题。正是基于这一原理，爱因斯坦揭示了引力背后的奥秘——时空扭曲的效应。想象一下，地球和其他行星围绕太阳旋转的奇妙现象，背后的科学原理正是太阳周围的时空发生了弯曲。而这一切的源头，就是质量引起的时空扭曲。

现在，让我们转向引力波与空间之间的关系。想象一下，当引力波到达LIGO的镜子时，该镜子所处的空间产生了微妙的扭曲。为了维持在这一扭曲空间中的静止状态，镜子会如何反应呢？它会相对于远处的观测者产生振荡。这种振荡并未消耗引力波的任何能量，相反，是引力波让空间产生了振荡。任何东西在这个特定的空间里都会遵循这一规律，但其振荡并不消耗任何能量，因为它并没有相对于所处的空间运动。这个现象就如同宇宙的膨胀一样，宇宙中的天体并没有实际运动，而是空间在膨胀。

当我们谈论空间的膨胀，你可能会想到令人困惑的超光速“运动”。实际上，宇宙的膨胀更多的是空间的膨胀，而非天体的运动。当我们观测到的天体的红移达到1.5时，其膨胀速度已经达到光速。而更远的、绝大部分宇宙的天体的膨胀或退行速度更是远远超过光速。这种膨胀并不需要天体的任何能量，就像LIGO的镜子一样，随着膨胀的空间一起运动并不需要消耗能量。

关于引力波对地球的影响，我们可以想象一种情景：引力波到达地球，使得地球产生微小的变形并发生振荡。这只是一个夸张的想象。在实际的科学讨论中，我与陈学雷教授就这个问题进行了深入的探讨。陈教授指出，关于能量是否传递给空间尚存在争议。但我认为，在LIGO的实验中，镜子仅受到引力波的作用而不受其他外力的影响，因此能量的传递应该是一个明确的过程。陈教授也对此表示认同。同时他也提到了一些其他复杂的情况，比如韦伯棒的工作原理等。尽管这些问题复杂且需要进一步的探讨和研究，但正是这些细节的讨论和探讨展现了科学精神和科学方法的重要性。这也是科学传播的核心内容之一。通过这次讨论我深感科学的魅力不仅在于知识的传播和分享还在于不断的探索和讨论。让我们继续追寻科学的脚步一起探索未知的世界吧！张双南与陈学雷关于引力波与能量的讨论

张双南向Schutz提出了一个关于引力波的问题，如果LIGO像一颗长达四公里的金刚石，那么在引力波的影响下，是否会产生同样的振荡现象？Schutz回应称，是的。对此，陈学雷认为Schutz的回答是正确的，但张双南关于能量传递的解释似乎存在一些疑惑。

张双南询问是否存在能量传递给镜子的情形。陈学雷指出，能量传递的问题其实与参考系的选择有关。在某些参考系中，物体是静止的，没有能量的传递；但在其他参考系中，物体处于运动状态，就会有能量的流动。他进一步解释说，引力波在传播过程中是否会导致能量耗散，也与多种因素有关。

当张双南询问在金刚石的情况下是否会有能量传递给金刚石时，陈学雷指出，金刚石对引力波的响应速度极快，以至于在瞬间完成，没有能量的实质传递。但张双南并不完全认同这一观点，他认为只是相对距离在变化，即空间在振荡，而物体本身并没有移动。对此，陈学雷表示理解，但强调在某些参考系下，物体之间的相对运动是存在的。

他们进一步探讨了关于实验室参照系和随着自由下落粒子的参照系的选择问题。陈学雷提出了一个极限情况来阐明观点：如果引力波的振幅非常大，实验室内的物体会有明显的相对运动。这时，实验室参照系更为实用。张双南则引用了类星体的例子，即使观察到巨大的红移，仍然认为类星体没有移动，不会计算其相对动能。他认为，物体的“动”与否与观察到的运动幅度无关。

陈学雷指出，解释应具有普适性。如果坚持认为没有能量转移，那么某些情况下的实验室坐标可能无法应用。张双南则坚持认为，只要物体在其惯性参照系中没有移动，就没有动能。LIGO的镜子随着引力波的振荡而振荡，就是在其惯性参照系内没有运动。他进一步解释说，引力波的本身就是一个惯性参照系。

陈学雷：我在尝试从一个更宏观的角度阐述这个问题。费曼在论证引力波实在性的时候，确实涉及到了能量传输。如果我们简单地认为能量不会传到物体上，那我们就无法理解费曼的论证精髓了。

张双南：我认为能量的传输并不是直接给了物质，而是给了空间。这是我的理解。

陈学雷：我不太赞同这个观点。我觉得能量传给空间似乎有些抽象。费曼的论证中，能量会通过摩擦转化为热能，这个过程必须通过物质来实现。

张双南：你是指物体在扭曲过程中产生的摩擦吗？

陈学雷：是的，还包括物体的相对运动。

张双南：我明白了，你是说的相对近处的运动。对于LIGO的镜子来说，扭曲可以忽略不计，但对于更宏观的宇宙尺度来说，可能就需要考虑了。

陈学雷：确实如此。在宇宙的广袤空间中，近处有扭曲，远处也有。但能量的传递是否发生，还取决于局部的相互作用。

张双南：相对远处的类星体运动速度已经超光速了。如果扭曲产生了摩擦就会有能量耗散和传递。但对于相对远处的观测者来说，因为没有摩擦和耗散，就没有能量的传递。

陈雁北教授与张双南就引力波与物质相互作用进行了深入讨论：

陈雁北：张老师，当引力波穿过一团物质时，确实会有能量的传递和衰减。这种衰减主要由物质的非引力相互作用引起。当没有其他运动阻尼时，也会存在微小的衰减，类似于等离子体中的朗道阻尼。具体到引力波探测器，其衰减与激光探测器的悬挂系统阻尼、镜子与激光束之间的光力作用有关。

张双南：如果我们假设LIGO的镜子是一个质点，那么是否就没有损耗了呢？激光的作用是不是在于阻止镜子做测地线运动？

陈雁北：镜子的尺寸大小并不重要，但与其质量有关。如果我们不考虑悬挂系统和激光，只考虑自由的镜子，那么引力波的衰减会与镜子质量的平方成正比。如果将“质点”理解为质量很小的检验质量，那么在这种情况下，引力波确实没有衰减。

张双南：您的解释非常清晰。您说的质点就不会有朗道阻尼了，我非常认同。

本文假设镜子的尺寸远小于LIGO探测到的引力波的波长（实际上也确实如此），以忽略镜子的尺寸对引力波探测的影响。文章也忽略了激光和镜子对镜子振荡的阻尼效应，这实际上是提取引力波能量的一种方式，尽管提取的量极小。