探究电磁波与引力波之异同

2018-01-29毛思扬

中国设备工程 2018年20期

毛思扬

引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用以及弱相互作用，是物质世界的4大基本相互作用。关于统一这4种基本相互作用的研究，也一直是现代理论物理的前沿课题。1864年，英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁学规律的基础上，建立了完整的麦克斯韦方程组，同时预言了电磁波的存在。23年后，德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在。1916年，爱因斯坦利用其建立的引力场方程预言了引力波的存在。100年后，位于美国的LIGO科学合作组织的科学家们宣布：人类首次直接探测到了引力波。下面我们就从理论基础、波动性质、探测方法3个角度出发，详细地比较电磁波与引力波的异同。

1 理论基础之比较

1.1 电磁波的理论基础

在麦克斯韦之前，关于电磁现象就已经有了若干基本的实验规律，包括描述电场的库仑定律，描述磁场的毕奥—萨伐尔定律以及法拉第电磁感应定律等等。麦克斯韦重新审视了这些电磁学规律，并创造性提出了位移电流的概念，最终把这些规律统一成麦克斯韦方程组。在麦克斯韦理论建立，特别是电磁波被发现之后，关于电磁现象在不同惯性参考系之间变换的问题，却迟迟得不到解决。在1905年，爱因斯坦在开创性的论文《论动体的电动力学》中，提出电磁波在不同惯性参考系之间满足洛伦兹变换而非伽利略变换，并由此建立了狭义相对论。可以说，电磁波的理论基础是麦克斯韦方程组和狭义相对论。

1.2 引力波的理论基础

狭义相对论不仅解决了电磁学中参考系之间变换的问题，更颠覆了人们对于四维时空的认识。1916年，爱因斯坦推广了狭义相对论中有关惯性参考系的研究成果，利用惯性系中万有引力与惯性力等效的原理，建立了用黎曼几何语言描述的适用于一切参考系的广义相对论。这个理论的核心方程是引力场方程，而引力场方程的重要推论就是引力波的存在。广义相对论是基于狭义相对论的，它认为引力是由于时空的几何畸变引起的。从这个角度看，引力并不是传统意义上的力。

值得注意的是：虽然描述电磁波的麦克斯韦场方程和描述引力波的爱因斯坦场方程差异很大，但它们有着共同的理论基础——狭义相对论。

2 波动性质之比较

电磁波和引力波都是波动现象，也均满足波动方程。但是，它们在波动的性质上存在很多差别。

2.1 电磁波的波动性质

根据麦克斯韦方程，静止的电荷会产生电场，稳定的电流会产生磁场，而加速运动的电荷或者随时间变化的电流会向空间辐射电磁波。因此，电磁场的源是电荷和电流，而电磁波的源是变化的电荷和变化的电流。电磁波是横波，在真空中以光速传播。电磁波还具有能量、动量、角动量等物质属性，因此可以看成是一种特殊的物质。特别的，由于麦克斯韦方程组是线性方程，因此电磁波满足波的叠加原理，会发生类似于机械波的反射、衍射、干涉等效应。

2.2 引力波的波动性质

广义相对论认为引力来源于被质量或能量弯曲了的时空。大质量的物体会扭曲时空，而其它物体会选择扭曲时空中的最短路径运动。当物质的分布发生改变时，时空的变化也会随之传播出去。这种时空的扰动就是引力波。爱因斯坦通过理论计算发现，物体质量或者速度的改变都会产生引力波。

因此，引力场的源是质量，而引力波的源是质量的变化。引力波也是一种横波，以光速传播。由于引力场方程具有高度的非线性，因此引力波不会像电磁波那样具有反射、干涉、衍射等性质，也不满足波的叠加原理。

3 探测方法之比较

3.1 电磁波的探测方法

由于电磁波的源是变化的电荷和变化的电流，因此实验上可以通过构造振荡电路来产生电磁波。最简单的振荡电路就是由电容和电感组成的LC振荡电路。电容器在电路中不断地放电和充电，从而实现了电场能和磁场能之间的相互转换。在这个过程中，电路中随时间周期性变化的电流会向外不断辐射电磁波，通过检波器即可探测到这个电磁波信号。德国物理学家赫兹最早进行了类似实验，并开创了电磁波应用的新时代。

3.2 引力波的探测方法

原则上，任何质量的变化都可以产生引力波，但由于引力波比较微弱，这就给探测引力波带来了很多的困难。为了探测引力波，科学家朝着两个方面去努力：一方面是研究新的探测方法以提高探测仪器的灵敏度；另一方面是寻找强大的引力波源。在探测仪器方面，利用迈克尔逊干涉仪改进而成的激光干涉引力波探测仪，灵敏度很高，可以从地球震动、电子噪音中分辨出引力波信号。在引力波源方面，天体的质量巨大，其质量的重新分布或加速运动都可能产生实验上可以检测的引力波，比如星体的旋转和自转、超新星爆发、黑洞合并等等。LIGO探测器探测到的引力波，实际上就是十几亿年前两个黑洞合并所产生的。