科普：从引力波到相对论

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。

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。

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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。

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。

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。