探究電磁波與引力波之異同

毛思揚

引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用以及弱相互作用，是物質世界的4大基本相互作用。關于統一這4種基本相互作用的研究，也一直是現代理論物理的前沿課題。1864年，英國物理學家麥克斯韋在總結前人研究電磁學規律的基礎上，建立了完整的麥克斯韋方程組，同時預言了電磁波的存在。23年后，德國物理學家赫茲用實驗證明了電磁波的存在。1916年，愛因斯坦利用其建立的引力場方程預言了引力波的存在。100年后，位于美國的LIGO科學合作組織的科學家們宣布：人類首次直接探測到了引力波。下面我們就從理論基礎、波動性質、探測方法3個角度出發，詳細地比較電磁波與引力波的異同。

1 理論基礎之比較

1.1 電磁波的理論基礎

在麥克斯韋之前，關于電磁現象就已經有了若干基本的實驗規律，包括描述電場的庫侖定律，描述磁場的畢奧—薩伐爾定律以及法拉第電磁感應定律等等。麥克斯韋重新審視了這些電磁學規律，并創造性提出了位移電流的概念，最終把這些規律統一成麥克斯韋方程組。在麥克斯韋理論建立，特別是電磁波被發現之后，關于電磁現象在不同慣性參考系之間變換的問題，卻遲遲得不到解決。在1905年，愛因斯坦在開創性的論文《論動體的電動力學》中，提出電磁波在不同慣性參考系之間滿足洛倫茲變換而非伽利略變換，并由此建立了狹義相對論。可以說，電磁波的理論基礎是麥克斯韋方程組和狹義相對論。

1.2 引力波的理論基礎

狹義相對論不僅解決了電磁學中參考系之間變換的問題，更顛覆了人們對于四維時空的認識。1916年，愛因斯坦推廣了狹義相對論中有關慣性參考系的研究成果，利用慣性系中萬有引力與慣性力等效的原理，建立了用黎曼幾何語言描述的適用于一切參考系的廣義相對論。這個理論的核心方程是引力場方程，而引力場方程的重要推論就是引力波的存在。廣義相對論是基于狹義相對論的，它認為引力是由于時空的幾何畸變引起的。從這個角度看，引力并不是傳統意義上的力。

值得注意的是：雖然描述電磁波的麥克斯韋場方程和描述引力波的愛因斯坦場方程差異很大，但它們有著共同的理論基礎——狹義相對論。

2 波動性質之比較

電磁波和引力波都是波動現象，也均滿足波動方程。但是，它們在波動的性質上存在很多差別。

2.1 電磁波的波動性質

根據麥克斯韋方程，靜止的電荷會產生電場，穩定的電流會產生磁場，而加速運動的電荷或者隨時間變化的電流會向空間輻射電磁波。因此，電磁場的源是電荷和電流，而電磁波的源是變化的電荷和變化的電流。電磁波是橫波，在真空中以光速傳播。電磁波還具有能量、動量、角動量等物質屬性，因此可以看成是一種特殊的物質。特別的，由于麥克斯韋方程組是線性方程，因此電磁波滿足波的疊加原理，會發生類似于機械波的反射、衍射、干涉等效應。

2.2 引力波的波動性質

廣義相對論認為引力來源于被質量或能量彎曲了的時空。大質量的物體會扭曲時空，而其它物體會選擇扭曲時空中的最短路徑運動。當物質的分布發生改變時，時空的變化也會隨之傳播出去。這種時空的擾動就是引力波。愛因斯坦通過理論計算發現，物體質量或者速度的改變都會產生引力波。

因此，引力場的源是質量，而引力波的源是質量的變化。引力波也是一種橫波，以光速傳播。由于引力場方程具有高度的非線性，因此引力波不會像電磁波那樣具有反射、干涉、衍射等性質，也不滿足波的疊加原理。

3 探測方法之比較

3.1 電磁波的探測方法

由于電磁波的源是變化的電荷和變化的電流，因此實驗上可以通過構造振蕩電路來產生電磁波。最簡單的振蕩電路就是由電容和電感組成的LC振蕩電路。電容器在電路中不斷地放電和充電，從而實現了電場能和磁場能之間的相互轉換。在這個過程中，電路中隨時間周期性變化的電流會向外不斷輻射電磁波，通過檢波器即可探測到這個電磁波信號。德國物理學家赫茲最早進行了類似實驗，并開創了電磁波應用的新時代。

3.2 引力波的探測方法

原則上，任何質量的變化都可以產生引力波，但由于引力波比較微弱，這就給探測引力波帶來了很多的困難。為了探測引力波，科學家朝著兩個方面去努力：一方面是研究新的探測方法以提高探測儀器的靈敏度；另一方面是尋找強大的引力波源。在探測儀器方面，利用邁克爾遜干涉儀改進而成的激光干涉引力波探測儀，靈敏度很高，可以從地球震動、電子噪音中分辨出引力波信號。在引力波源方面，天體的質量巨大，其質量的重新分布或加速運動都可能產生實驗上可以檢測的引力波，比如星體的旋轉和自轉、超新星爆發、黑洞合并等等。LIGO探測器探測到的引力波，實際上就是十幾億年前兩個黑洞合并所產生的。

4 結語

在本文中，我們從理論基礎、波動性質、探測方法三個方面，比較了電磁波和引力波的異同。引力波的成功探測，是人類認識宇宙世界的一次飛躍。它不僅為檢驗廣義相對論提供了一個平臺，更將推動包括電磁力、引力在內的自然界基本相互作用大統一理論的研究。