科普：從引力波到相對論

波動是自然界中很普遍的現象。投石入水，激起層層漣漪，就是大家都看到過的水波。以槌擊鼓，鼓膜的振動在空氣中傳播，就是看不見但聽得到的聲波。有介質，如水和空氣，有一點兒擾動，如石子和鼓槌的撞擊，這個擾動就會以波的形式在介質中傳播。把高頻電流灌進天線里，就會輻射出電磁波，可以被另一個天線接收並用來傳輸信息。人類發現並駕馭了電磁波，我們今天才能用手機通信。

把高頻電流灌進天線里，就會輻射出電磁波，可以被另一個天線接收並用來傳輸信息。人類發現並駕馭了電磁波，我們今天才能用手機通信。物體被燒得灼熱，裡面的電子跳躍震蕩，也會輻射出電磁波。這是我們(以另一種方式)看見的波動——光。

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以此類推，引力波應該是很自然的事情。任何一個有質量的物體很快地改變速度，比如旋轉起來，就會輻射出引力波。

但這兩種波動，和前面提到的水波聲波，有很不同的物理哲學意義。對電磁相互作用和引力相互作用的研究，讓愛因斯坦分別發現了狹義相對論和廣義相對論。

電磁波和引力波，都是先有理論，再通過實驗證實的。19世紀末對電力和磁力的研究，被麥克斯韋總結成了一組方程。這個方程租有波動解，這個波的傳播速度能夠從方程組中被計算出來，就是實驗測出來的光速。那時才知道光也是電磁波。

但水波聲波的傳播介質是看得見或者摸得著的物質。電磁波卻可以在空無一物的太空中傳播。到底是什麼介質在傳播這電磁波?我們需要介紹一下電磁場的概念。

波動是自然界中很普遍的現象。投石入水，激起層層漣漪，就是大家都看到過的水波。以槌擊鼓，鼓膜的振動在空氣中傳播，就是看不見但聽得到的聲波。有介質，如水和空氣，有一點兒擾動，如石子和鼓槌的撞擊，這個擾動就會以波的形式在介質中傳播。把高頻電流灌進天線里，就會輻射出電磁波，可以被另一個天線接收並用來傳輸信息。人類發現並駕馭了電磁波，我們今天才能用手機通信。

在我們的中學物理課本中，電力和引力非常相似。庫侖定律告訴我們兩個電荷之間的力和電荷成正比，和距離平反成反比。牛頓萬有引力定律告訴我們兩個質點之間的引力和質量成正比，和距離平方成反比。細想起來，庫倫定律有一個問題：如果兩個電荷在運動中，這個定律好像在說一個電荷能隨時「感知」另一個電荷的位置，冥冥中有一些不合理。

運用麥克斯韋方程這套完整的電磁學理論，人們發現庫倫定律在兩個電荷有運動的情況下是需要修正的，一個電荷「感知」另一個電荷的位置有一個小小的時間延遲，這個延遲等於光從一個電荷到達另一個電荷的時間，如上圖所示。麥克斯韋方程和電磁波的發現，使人們認識到，電磁相互作用，是以有限(儘管非常快)的速度傳播的。傳播電磁相互作用和電磁波的介質，叫做電磁場。電磁場攜帶著能量和信息，所以它也是物質。從此，人們開始接受看不見摸不著的物質。現代物理學認為，宇宙太空，或真空，是一種物質，電磁場和引力場只是這種物質的不同屬性。

光速是從麥克斯韋方程中解算出來的，這就帶來另一個讓人困惑的問題：我們坐在火車上，測地面信號燈的燈光，難道它的速度不該快一些或慢一些嗎?牛頓定律在所有的參照系都是一樣的，但如果火車參照繫上的麥克斯韋方程和地面的是一樣的，就和基本常識衝突。所以，只能假設宇宙中存在一個絕對靜止的參照系，麥克斯韋方程只在這個參照系中成立。