对比法是我们学习新知识时候常用的方法，例如我们在学习原子模型的时候，可以通过类比太阳系的行星模型，把原子核当做太阳，把电子当做行星，然后寻找模型之间的相同点和不同点。引力波是近些年最火热的天文名词，今天小编就用对比的方法，给大家讲一些电磁相互作用和引力相互作用、电磁波和引力波的物理知识。
电磁波和引力波，顾名思义，都是波动，都可以用波动方程来描述。但是电磁力毕竟和引力有很大差别。我们知道，自然界有四种基本相互作用，而电磁相互作用和引力最大共同点就是它们都是长距离相互作用，且都可以在一定程度上用距离的平方反比来描述。那么它们有何不同呢？
最显著的差别莫过于这两种相互作用的强弱了。不算自然界的光与雷电，电磁波早已经被广泛地应用在我们的生活中——无论是举手投足间无处不在的摩擦力，还是电视、电脑、手机内部细致的电路，都和电磁力密切相关，可以说电磁相互作用左右着我们的日常生活。而引力则指挥着天体的运行。试想，如果某个天体带电，那么一般情况下，它带的电会很快被中和掉。因此，大多数天体都是不带电的。也正因如此，尽管电磁相互作用也是长程力，但是它们在描述天体的相互作用的时候贡献就较少了。
接下来我们再说说电磁波和引力波。电磁相互作用和引力都是规范理论，如果大家不太理解这个词，可以暂时理解为，它们背后的数学总是比物理“多了一块”。光是一类特殊的电磁波。在高中的时候，我们已经知道，光子的自旋为1，只有两个偏振方向。我们摄影常用的滤光片等等正是应用了光的偏振。然而，当我们对电磁场做量子化的时候，往往会引入非物理态——标量（时间分量）光子和纵波光子。而我们知道，电磁波是横波，并没有观测到纵向的电磁波。这样本来只有两个分量的电磁波却出现了四个分量，岂不是理论和实验不符合？后来物理学家古塔帕给出了解释——标量光子和纵向光子的观测效应相互抵消了，因此观测不到。
那么对于引力波呢？引力波很类似，但是它有十个分量，其实四个标量分量，四个纵向分量，两个横向分量。最后的处理结果也是类似地抵消掉。不要小瞧这些分量，大家可以想想，若是没有抵消掉时间分量，那么LIGO的两个臂之间时空都会被拉伸，这样岂不是照样观测不到引力波的作用效果？
引力波会告诉我们世界的本质吗
此外，还有一些比较物理的区别，此处仅仅列出名字：电磁波是偶极辐射，而引力波是四极辐射。电磁波是矢量场的波动，而引力波则是度规张量场的波动。这里我们不谈张量，就谈矢量。大家心中的矢量是什么，是一个带箭头的量？是一个有头有尾的箭头？或者是三个分量的量？其实这些都只是一些很粗浅而且不本质的理解。事实上，矢量指的是矢量空间中的元素，它有一套专门的定义。试想，我们定义矢量的时候，有时候这个矢量并不处在一个平面上，而是仅仅定义在一个点上，这时候显然不能用“有头有尾”来定义矢量了。
随着多信使天文时代的来临，电磁波和引力波必将协同作战，告诉我们这个世界的终极奥秘。刚刚高考结束的同学们，有没有意愿加入这个伟大的使命中来呀？
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作者：王纪尧
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