宇宙的伟大和人类智慧的极致:从引力波说相对论

　　波动是自然界中很普遍的现象。投石入水，激起层层涟漪，就是大家都看到过的水波。以槌击鼓，鼓膜的振动在空气中传播，就是看不见但听得到的声波。有介质，如水和空气，有一点儿扰动，如石子和鼓槌的撞击，这个扰动就会以波的形式在介质中传播。

　　把高频电流灌进天线里，就会辐射出电磁波，可以被另一个天线接收并用来传输信息。人类发现并驾驭了电磁波，我们今天才能用手机通信。物体被烧得灼热，里面的电子跳跃震荡，也会辐射出电磁波。这是我们(以另一种方式)看见的波动——光。

　　以此类推，引力波应该是很自然的事情。任何一个有质量的物体很快地改变速度，比如旋转起来，就会辐射出引力波。

　　但这两种波动，和前面提到的水波声波，有很不同的物理哲学意义。对电磁相互作用和引力相互作用的研究，让爱因斯坦分别发现了狭义相对论和广义相对论。

　　电磁波和引力波，都是先有理论，再通过实验证实的。19世纪末对电力和磁力的研究，被麦克斯韦总结成了一组方程。这个方程租有波动解，这个波的传播速度能够从方程组中被计算出来，就是实验测出来的光速。那时才知道光也是电磁波。

　　但水波声波的传播介质是看得见或者摸得着的物质。电磁波却可以在空无一物的太空中传播。到底是什么介质在传播这电磁波?我们需要介绍一下电磁场的概念。

　　在我们的中学物理课本中，电力和引力非常相似。库仑定律告诉我们两个电荷之间的力和电荷成正比，和距离平反成反比。牛顿万有引力定律告诉我们两个质点之间的引力和质量成正比，和距离平方成反比。细想起来，库伦定律有一个问题：如果两个电荷在运动中，这个定律好像在说一个电荷能随时“感知”另一个电荷的位置，冥冥中有一些不合理。

　　运用麦克斯韦方程这套完整的电磁学理论，人们发现库伦定律在两个电荷有运动的情况下是需要修正的，一个电荷“感知”另一个电荷的位置有一个小小的时间延迟，这个延迟等于光从一个电荷到达另一个电荷的时间，如上图所示。麦克斯韦方程和电磁波的发现，使人们认识到，电磁相互作用，是以有限(尽管非常快)的速度传播的。传播电磁相互作用和电磁波的介质，叫做电磁场。电磁场携带着能量和信息，所以它也是物质。从此，人们开始接受看不见摸不着的物质。现代物理学认为，宇宙太空，或真空，是一种物质，电磁场和引力场只是这种物质的不同属性。

　　光速是从麦克斯韦方程中解算出来的，这就带来另一个让人困惑的问题：我们坐在火车上，测地面信号灯的灯光，难道它的速度不该快一些或慢一些吗?牛顿定律在所有的参照系都是一样的，但如果火车参照系上的麦克斯韦方程和地面的是一样的，就和基本常识冲突。所以，只能假设宇宙中存在一个绝对静止的参照系，麦克斯韦方程只在这个参照系中成立。

　　但物理学是需要实验验证的。验证上面这个说法的实验，想法很简单：我们知道地球在宇宙中是有运动的，它绕着太阳公转，那么两束方向垂直的光，一般会一路更顺着地球的运动方向，一路更垂直地球的运动方向，速度一定会有差别。1887年，迈克尔逊和莫雷利用下面的这个装置做了实验，用一个分光镜b把光源a的光分成两个方向，各自多次反射后，不同方向上光速的差别因为干涉效应在望远镜f中可以看到。

　　这个实验的结果让人大跌眼镜：看不到任何光速的差别!很长的时间内，物理学家们不知道怎么解释这个实验。

　　直到1905年，爱因斯坦经过深入思考，认定物理定律，包括麦克斯韦方程，在所有的参照系中都是一样的。宇宙中没有绝对静止，一切速度都是相对的。由此推导出很多你可能已经听到过的违反人类常识的结论，比如：

　　光速是绝对的，无论你自己飞得多快，你测到的光速都是一样的;

　　光速是不可超越的，任何物质能量信息的运动速度都不可能超过光速;

　　长度和时间都是相对的，不同的参照系中对同一个物理长度、同一个物理过程的时间的测量结果会有差别;

　　质量也是相对的，速度越快质量越大;

　　还有下面这个著名的能量质量对应公式：

　　狭义相对论是让人类脑洞大开的伟大理论，今天已经被无数实验证实了。

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