引力的传播速度是光速，我们是如何测量的？

宇宙空间中的四种基本作用力是强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力，其中强相互作用力和弱相互作用力是反映在微观粒子层面，分别是原子的结合力和核子产生衰变的作用力。而在宏观世界中反映出的物质之间的作用力主要是电磁力和引力，其中电磁力的本质是光子的交换，是我们观察周围世界最常用的媒介，而引力则是普遍产生在有质量的物体之间，是使之具有相互结合趋势的吸引力。在四种基本作用力之中，引力是最弱的，那么科学家们是怎么测量出它的速度的呢？

引力的本质1687年，牛顿正式提出了万有引力定律，从而将物体在一定的时间和空间的运动问题，以数学表达式的形式加以确定，而宇宙星体之间的运行也在此基础上得到了很好的诠释，根据万有引力定律，人们描述两个物体之间的万有引力，与它们的质量成正比、与距离的平方成反比，很多科学家根据牛顿万有引力定律，成功预言或者推测出了诸如哈雷彗星、海王星等天体的存在，为人类社会深入认识宇宙的形成和发展奠定了坚实的基础。然而牛顿并未就引力的本质，即引力产生的原因作出说明。

到19世纪时，世界经典物理理论体系已经基本建成，其重要标志就是以经典力学、经典电磁场理论、经典统计力学为3大支柱，在这种背景之下，物理学中迈克尔逊实验结果和以太漂移说互相矛盾的结果，向人们诠释了宇宙并未全部因“引力”而统一，势必还有更深层次的原因有待人们去探索和。

20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，其中有两条基本原理，其一是狭义相对论性原理，即物理规律在所有惯性参照系中都具有相同的表现形式，从而否定了以太假说；其二是光速不变原理，即在所有惯性参照系中，光在真空中的速度稳定保持一个数值，不会因惯性参照系的不同而发生改变。爱因斯坦的狭义相对论，将物体的运动、时间、空间统一了起来，并且将质量和能量进行了统一，据此推导出狭义相对论之下的质速方程、尺缩方程、钟慢方程、质能方程。

1915年，爱因斯坦又提出了广义相对论，在狭义相对论的基础上又增加了一条基本原理，即惯性质量等同于引力质量，指出在没有物质的情况，时空是平直的，而空间中一旦存在物质，那么质量就会使时空发生弯曲，认为引力产生的根源是时空的弯曲造成的。在广义相对论的基础上，爱因斯坦推导出了引力波的存在。

从以上广义相对论的基本原理，我们可以看出，引力的本质其实并非直接由质量产生，而是间接通过质量，引发时空曲率的产生，使大质量物体周围的空间发生弯曲，然后周围物体沿着弯曲的时空运行。

引力波的发现刚才提到了，早在上世纪初，爱因斯坦就推导出了引力波的存在。其实，引力波的推导，是在广义相对论下应用洛仑兹不变性的结果。但是，由于引力是四种基本作用力中最弱的，根本不可能直接由仪器进行测量空间中每时每刻都存在的这种力。同时，宇宙中运动的物体，基本上是在各种引力作用下呈现平衡状态的运动模式，根本看不出在这种引力场环境中引力的波动。

那么，既然广义相对论中确认了引力波的存在，作为一种波，它也应该会有像波的特性，即引力源的质量发生大规模变动时，由其质量变化产生的时空弯曲改变，会直接影响引力波的变化，从而以波动的形式进行蔓延，就像水波一样，从中心到外围的变化需要一定的时间过程，引力波也应该会出现这样的变化，如果我们能够找到这种突变的情况，就会有可能侦测到引力波的存在，并且还会测算出它的传播速度。

2015年，位于美国的激光干涉引力波观测站，首先发现了两个黑洞并合产生的引力波事件，其原理是通过两个观测隧道内引力波对其的拉伸和压缩，使隧道发生非常细微的变型，然后利用激光来精准进行监测变型程度。

在9月份的时候，先是观测到目标区域发生了两个黑洞的合并现象，随后侦测到引力波到达隧道内，这是人类历史上第一次通过仪器观测到引力波的存在。另外，在2017年，科学家通过观测两个中子星合并，也成功探测到了引力波。

引力波的速度从理论上看，狭义相对论确定了宇宙中最快的信息传递载体为光子，最高速为光速；按照广义相对论以及引力场方程，可以得出引力波的传递速度也是最快，其值与光速相同。因为我们可以试着理解一下，既然引力是因时空弯曲而产生，那么这个空间的弯曲区域可以近似地看为引力场，那么引力的扩散与传播也就是弯曲时空所带来的直接行为，则引力的扩散速度也应该等于光速。

在人类已经观测到的无论是双黑洞合并、还是双中子星合并等引发的引力波事件中，在距离地球几亿光年之外，人们侦测到的电磁波和引力波几乎同时到达地球，因此也从实验层面证实了引力波的传播速度等于光速，不过这个实验的方法是应用类比的方法，即拿引力波与光的接收时间进行比较，不是直接进行的速度测量。

不过也没关系，我们再等个10年左右，欧洲航天局预计届时将启动LISA（欧洲空间引力波计划）项目，那个时候就可以实现直接测量引力波的速度了。