看引力波的科普想到：物質和時空的本質有沒有可能是一樣的？

11-29

最近引力波的報道特別火，看多了科普文之後，有件事困惑住了自己。兩個黑洞互相旋轉融合，消耗一部分質量，通過引力波的形式釋放出去。而引力波就是時空的擾動。之前只理解廣義相對論中物質只要在那兒，就會對時空產生影響，現在物質或者說質量消耗之後，也變成了影響時空的東西，還是以類似波的形式釋放，能不能理解成物質變成了時空的一部分，兩者可以互相轉化？物質---質量---引力波（時空的漣漪）---時空的本質，請問大神們，我這種物質可以變成時空的一部分，兩者本質相同可以轉化的思想合理么？
或者說現階段能否通過數學公式把物質和時空統一起來，畫上一個類似等號的東西，而不是單純的只是互相影響對方的狀態。

不知道題主懂多少廣義相對論，但題主能注意到這個問題很不容易。簡單點說，這個問題就是，如何理解引力波的能量？或者說，引力波為什麼會有能量？
看起來這個問題很蠢，學物理的同學會說，波當然有能量啊。但是看看Einstein的場方程：
$R_{mu u}-frac{1}{2}g_{mu u}R=4pi G_NT_{mu u}$
其中方程左邊是時空的曲率項，右邊 $G_N$ 是牛頓萬有引力常數， $T_{mu u}$ 就是物質的能量動量張量。Einstein場方程當然也就是引力波的波動方程， $T_{mu u}$ 就是波動源，只不過這個方程是高度非線性的。那麼在真空中傳播的引力波自然就滿足
$R_{mu u}-frac{1}{2}g_{mu u}R=0$ ，
因為真空的 $T_{mu u}=0$ 。所以引力波根本就沒有能量、能流啊，因為 $T_{mu u}=0$ ！

多奇怪啊，那麼引力波是如何帶走波動源（比如雙黑洞）的物質能量的呢？LIGO明明說引力波帶走了3個太陽質量，難道在瞎扯嗎？
這其中的秘密就在於一個很違反常識的事實：廣義相對論中能量不守恆。具體可以參看我的另一篇回答：廣義相對論中能量為什麼不守恆？ - 錐管的回答。簡單地說，當時空不具備時間平移對稱性的時候，能量不守恆。
一個有引力波在波動的時空就是這樣一個例子，時間平移對稱性丟失了。所以，儘管引力波並不攜帶任何物質的能量動量，處于波動中心的雙黑洞確實丟掉了物質能量。換句話說，黑洞合併的過程白白損失了宇宙的一部分能量！類似地，而當引力波傳到地球時，地球附近的時空也失去的時間平移對稱性，所以地球的能量會有略微增加，大約是 $10^{-17}$ 焦耳。

但是，為什麼物理學家都在講「引力波輻射的能量」呢？這就涉及到了廣義相對論的「弱場近似」和「後牛頓近似」處理。這兩種方法其實是把引力波與時空割裂開來，或者說，將時空度規分成兩部分：
$g_{mu u}=eta_{mu u}+h_{mu u}$ ，
其中 $eta_{mu u}$ 是一個平直度規， $h_{mu u}$ 視為微擾，即引力波的波幅。在這個近似下，引力波不再被視為時空的一部分，而時空也被近似成了平直時空。由於在平直時空下能量動量是守恆的，雙黑洞損失的質量就必須由引力波帶走，在這種近似下我們就必須為引力波規定一個「有效的能量動量」，通常被記為 $t_{mu u}$ ，以區別於真正的能量動量張量 $T_{mu u}$ 。

所以本質上引力波是不攜帶能量的，題主所講的「時空與物質能量互相轉換「也不是一個新理論，是包含於廣義相對論框架內的。

波動才是物質的本質

我也這麼想，物質和時空是同一種東西的兩種顯現，物質是時空的一種結構。時空的下面是更本源的東西，那個才使一切的根源。

從經驗也能看出一點：
太空中唯一的實體是星系，99.9999999.....%的地方是虛空；
而星系中，實體是星體，99.99999.....%的地方是虛空；
接著，星體中，構成他得實體是原子，99.999...%的虛空；
再來，原子中，實體是質子中子，99.9999...%是虛空；
已經說清楚了哈？？
質子中子中，實體是弦，99.999999...%是虛空；
......
直到這裡，好像沒有找到實體的物質存在？！

我勒個去，虛空才是宇宙的主角，物質？真的有物質存在嗎？！

人家科學家是對的，一切都是偶然現象，虛無中偶然產生了一個泡泡，這個泡泡隨即湮滅了，可是對於這個泡泡中得生物來說，發生了一個很遙遠、很漫長、繽紛多彩的故事。。。。。
然後，虛無中，這樣的泡泡，此生彼滅，此滅彼生。。。

O(∩_∩)O哈！

完全合理！統一引力場，電磁場，實物是愛因斯坦的理想，雖然還未未取得數學上的成功，但是完全有足夠的理由相信它們是同一種物質的不同表現形式！

這恐怕是個哲學問題吧