稍微有點物理常識的讀者都知道光速不因觀察者而改變。

光速不變也是狹義相對論的基本預設，如果這個預設是錯誤的，那麼相對論就不複存在了。

最早預言“光速不變”的是麥克斯韋，這一論述最早出現在1864年，他發表名為《電磁場的動力理論》的論文指出：電場和磁場已波的形式以光速在空間中傳播。

雖然麥克斯韋的電磁理論預示着光速不變，但是由于麥克斯韋自身受限于以太學說，并不能深刻認識到光速不變是客觀獨立的。

麥克斯韋

在等效原理被提出之後。時空彎曲，引力波的概念應運而生。

廣義相對論是和牛頓力學存在根本性矛盾的，不過弱引力場上，其應用結果與牛頓力學相差微弱。

而地球上，乃至整個太陽系都可視為弱引力場。所以牛頓力學依舊有重要的地位。

廣義相對論和牛頓力學的根本性矛盾主要體現在下面

牛頓力學：引力是瞬時的（不含時），這種超距作用在以太中得以實現（以太是引力的傳播介質）

廣義相對論：引力的傳播無需引入一個假象物充當介質，引力是非瞬時的，它的速度是光速，引力是時空彎曲的表象。

【一】：引力不再是不能追溯因果的自然現象，取而代之的是有質量的物體彎曲了時空。

【二】：引力的作用被光速束縛，引力也無法突破光速，或者說引力的速度就是光速。

看到這裡，有物理直覺的讀者一定為追問：為什麼引力的速度嚴格等于光速，這裡面必然有更深層次的原因

在這裡我必須聲明：在天文實際測量中，并沒有得到引力完全等于光速的結論，這其中最大的原因來自于誤差。

引力的速度等于光速在理論上是相對論推出的必然結果，幾乎所有科學家都認同這一結果。

在2017年8月17号，天文學家接收到1.3 億光年外兩個中子星合并分别發出的引力波和電磁信号。

按照科學家的預期，他們應先接收到引力波。

果不其然，在接收到引力波後的1.7秒才接收到中子星合并發出的電磁信号。

中子星合并的引力波和電磁波在長達億年的時間尺度上傳播，最後抵達地球隻相差1.7秒，其誤差在1：10∧15。

這種誤差很好理解，因為星際物質不會延緩引力的傳播，而會“延緩”光的傳播。畢竟光在水中和空氣中的傳播速度都會比真空中慢。

這并不是說光速變慢了，其實光速并沒有改變，隻是計算速度的方式改變了。

光在穿過物質的時候會被吸收，核外電子吸收光子後，處于激發态又會釋放光子。在吸收與被釋放的過程中耽誤了時間，而我們計算空氣中的光速是按照傳播距離除以時間，這樣得出的光速自然就會變慢。

如果我們隻是單純計算一個光子的傳播速度，那麼它永遠都是真空中的光速。

我們描述宇宙中絕大部分現象隻需要用到量子力學和相對論就完全夠用了。

前者涉足微觀粒子，包括電磁力，強弱相互作用，後者主打引力。

廣義相對論解釋了質量、能量與時空的關系。

廣義相對論産生了一種新的“輻射”—引力波。

引力波和電磁波雖然不怎麼相關，但都是以光速傳播

我們日常生活中能看見或者儀器能接收到的絕大部分電磁波都是原子核外電子輻射出的結果。

不需要高深的量子力學知識，僅用電磁學定律我們就搞明白了。

核外電子相對于原子核質量很小，一個帶負電的電子繞着帶正電的原子核旋轉必然面臨一個棘手的問題，那就是電子在原子核外運動，會經曆變化的電場，因此會加速。

加速的電子會輻射能量。失去能量的電子不可避免地會落入原子核中，這樣以來原子結構就不穩定了。這也是盧瑟福原子模型的緻命之處。

不過新的原子模型早已解決了這些問題，電子輻射的能量很多時候來自外界攝入。

今天我們讨論的是輻射出的能量到底以什麼形式傳播。

在經典電磁理論中

ε 0是描述在真空中兩個點電荷之間的電力的基本恒定的介電常數。

μ 0可以想到作為與恒定電流貫穿其中限定在真空中由兩個平行的導線所産生的磁力的恒定的滲透性。

當計算所産生電磁輻射的特性時，它表現為一個波，其傳播速度等于1/（ε 0 μ 0）½，這恰好等于光速。

明白了電磁輻射的來源，我們就可以将這種思路套用在引力波的産生上。

地球繞太陽旋轉，是小質量物體繞大質量物體作軌道運行，地球讓太陽旋轉會經曆變化的引力場（其本質是時空曲率的變化），這種變化會導緻一種攜帶能量的輻射發出。

這就是引力波的思想來源，十分類似電磁波的起源。

我們已經知道引力由時空曲率決定，而時空曲率取決于該空間的物質和能量總和。

想象一下：太陽周圍的時空曲率導緻系内行星繞其旋轉，如果突然把太陽拿掉，原本太陽空間位置的時間曲率就變為平坦，從彎曲到平坦空間的過渡會以時空漣漪的形式傳遞下去。這就是引力波。

現在我們要用到狹義相對論的知識了，我們知道引力波和電磁波都沒有靜止質量。

而它們都攜帶能量，沒有靜止質量就意味着它們必須以光速傳播。

之前我的專欄多次分析過這個問題。

在狹義相對論的基本公式中，都有洛倫茲因子。

比如時間質速關系公式 m=m0/（1-v²/c²）½。

1/（1-v²/c²）½就是洛倫茲因子

m0為物質的靜止質量，可以看到靜止質量不為0的物質（m0≠0）其速度v越接近光速c，其洛倫茲因子得出的數值越大，所以運動質量的增大就要求其維持加速運動所需的能量越大。

如果有靜止質量的物質速度無限接近光速，那麼其質量就無限大，那麼用盡全宇宙的能量也不能維持其加速運動。

所以有靜止質量的物質不能維持光速運動

而光子沒有靜止質量，所以質速關系已經不适應于光子的運動質量的計算了。

這時候就用核外電子輻射出光子的能量E=hν，再結合質能方程E=mc²，就可以推導出光子的運動質量m=hv/c²（h為普朗克常數，v為光子頻率，c為光速）

根據狹義相對論，我們明顯可以得出：沒有靜止質量的粒子必須以光速運動才能存在，否則就不存在。

雖然我們還沒有找到引力的傳播子—引力子，但是理論已經計算出引力子沒有靜止質量。所以引力子必須以光速運動。

這也是引力波必須以光速運動的最淺顯的理解。

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