引力波是什么

　　在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。

　　引力波的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波；有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)；攜帶能量；在真空中以光速傳播。

　　雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過(guò)程，都能輻射較強(qiáng)的引力波。

　　如何確定引力波的來(lái)源和方向

　　對(duì)于一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)源的定位包括兩方面問(wèn)題：一是方向，二是距離。

　　LIGO本身是相互垂直的兩條光路，所以對(duì)于信號(hào)方向測(cè)定有一定的幫助，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。重力波信號(hào)源的測(cè)定更多是基于LIGO的兩個(gè)探測(cè)站，相距2000英里左右，成為了一個(gè)三角定位問(wèn)題。實(shí)際測(cè)量時(shí)，兩個(gè)站收到信號(hào)的時(shí)間相差了6.9毫秒，差不多是光速跑2000英里所需的時(shí)間，也證實(shí)了引力波是以光速傳播的。

　　當(dāng)然，由于信號(hào)源距離地球非常的遙遠(yuǎn)，所以在地球上相距2000英里的兩個(gè)探測(cè)器之間這點(diǎn)些微的差距很難精確定位信號(hào)源。就好比我們的兩只眼睛可以根據(jù)視差輕易分辨房間里兩樣?xùn)|西的遠(yuǎn)近，但很難分辨幾百米外兩樣?xùn)|西的遠(yuǎn)近（前提是你不知道那兩樣?xùn)|西的尺寸），因?yàn)樵谶b遠(yuǎn)的距離上視差已經(jīng)非常小了。

　　實(shí)際上，這次定位的方向精度只有600平方度，也就是天空中橫豎各25度左右的天域。這在天文研究來(lái)講已經(jīng)是非常非常非常之大的誤差了。

　　至于信號(hào)源的距離，主要是靠紅移來(lái)測(cè)量的。因?yàn)楹诙春喜⑹录l(fā)的引力波信號(hào)特征（包括頻率、相位、潮汐效應(yīng)、末尾鈴蕩的波形等）中，有些帶有黑洞絕對(duì)質(zhì)量的信息，以之進(jìn)行修正，參比直接從波形獲得的黑洞紅移質(zhì)量，就能算出紅移系數(shù)。這次引力波信號(hào)的紅移為0.09（+0.03 -0.04），對(duì)應(yīng)13億光年。但看它的誤差范圍就知道，超過(guò)了正負(fù)三分之一，也就是正負(fù)4到5億光年左右，很難說(shuō)是精準(zhǔn)的。

　　要精確定位，有兩條路：一是有距離更遠(yuǎn)的探測(cè)器或多個(gè)探測(cè)器加入進(jìn)來(lái)，共同校準(zhǔn)。這次地球上唯一另外一個(gè)引力波探測(cè)器GEO600當(dāng)時(shí)不在測(cè)量模式，所以沒(méi)法提供幫助。試想，如果我們可以在泰坦上建一個(gè)引力波探測(cè)器，那么對(duì)信號(hào)源的定位精度將會(huì)有數(shù)量級(jí)的提高。

　　第二個(gè)方法是加入別的探測(cè)手段。因?yàn)楹诙春喜⑹莻€(gè)高能事件，會(huì)伴隨可見(jiàn)光，伽馬射線爆等多種物理現(xiàn)象。如果能夠結(jié)合其他探測(cè)手段的探測(cè)結(jié)果，就能真正做到精確定位。

　　引力波靠什么傳播的

　　我們可以把空間視為某種可以扭曲、振動(dòng)的彈性介質(zhì)，因此它可以傳播波。自1916年起，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始嘗試證明他的廣義相對(duì)論方程包含一個(gè)解，這個(gè)解能夠表征引力波的傳播。然而，廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)之美與其方程的復(fù)雜性不分伯仲。這些方程的一個(gè)特點(diǎn)就是它們是非線性的。所謂的非線性，指的是一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)與它所受的刺激并不成正比。

　　正如面對(duì)這種問(wèn)題時(shí)研究者常做的那樣，愛(ài)因斯坦決定先考慮簡(jiǎn)化后的情況。他把引力波視為對(duì)初始的“平坦”時(shí)空的微調(diào)——即攝動(dòng)。如預(yù)料的一樣，他計(jì)算出了幾種不同類型的引力場(chǎng)振動(dòng)，而它們均以光速傳播。但是他很快就開(kāi)始懷疑，這些解在物理上是否真實(shí)存在。

　　一個(gè)疑點(diǎn)與引力波的雙重性質(zhì)有關(guān)：引力波既是幾何學(xué)的，是空（時(shí)）間的波動(dòng)；也是物理學(xué)的，是引力場(chǎng)的特征。因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應(yīng)該能夠和一些物理量聯(lián)系在一起，比如速度、輻射功率等等。在愛(ài)因斯坦解出的6種引力波里（用現(xiàn)代物理術(shù)語(yǔ)來(lái)講就是6種偏振模式），只有兩種既能傳遞能量又以光速傳播。這些波也是橫波，如同電磁波一樣，也就是說(shuō)它們只在與傳播方向垂直的平面上振動(dòng)。與此相反，聲波是縱波，會(huì)在傳播的方向上壓縮空氣。

　　而愛(ài)因斯坦得到的其他4個(gè)偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機(jī)的。實(shí)際上這是個(gè)在當(dāng)時(shí)未能被理解的數(shù)學(xué)問(wèn)題，問(wèn)題出在了坐標(biāo)系的選擇上。

　　事實(shí)上，相對(duì)性原理規(guī)定，物理量的值并不隨坐標(biāo)系的選取而發(fā)生變化。愛(ài)因斯坦選擇的坐標(biāo)系并不完美，用它算出的偏振模式在廣義相對(duì)論的框架下不是真實(shí)存在的。但是，現(xiàn)在研究其他引力理論的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些偏振解中的某幾個(gè)具有物理意義。如果能觀測(cè)到這些偏振模式的話，將有劃時(shí)代的意義，這能讓我們測(cè)試超越廣義相對(duì)論的物理理論。

　　令人琢磨不透的坐標(biāo)系性質(zhì)，加上方程的非線性，不僅讓涉及廣義相對(duì)論的物理問(wèn)題計(jì)算起來(lái)極為困難，還讓結(jié)果難以理解。這就是物理學(xué)家在20世紀(jì)60年代以前都未能理解黑洞視界的原因。1936年左右，愛(ài)因斯坦也一度相信自己和納森·羅森（Nathan Rosen，愛(ài)因斯坦在普林斯頓高等研究院的助手）證明了引力波并不存在。而這個(gè)結(jié)論與愛(ài)因斯坦先前的工作是完全矛盾的。

　　引力波輸送的能量以及它與物質(zhì)系統(tǒng)的相互作用，這些問(wèn)題看似容易，但實(shí)際上非常復(fù)雜，以至于物理學(xué)家一直在研究這些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)了幾十年才能得出初步結(jié)論。

　　引力波傳播需要介質(zhì)嗎

　　所有的機(jī)械波都不能在真空中傳播，必須依賴介質(zhì)，而所有的場(chǎng)波則都可以在真空中傳播，除了電磁波以外，還有引力波。

　　聲音是一種機(jī)械波，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)。電磁波或引力波傳播不需要介質(zhì)，因?yàn)閭鞑サ臄_動(dòng)不是介質(zhì)的移動(dòng)而是場(chǎng)。力波被LIGO轉(zhuǎn)化為聲音片段。

　　自1916年起，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始嘗試證明他的廣義相對(duì)論方程包含一個(gè)解，這個(gè)解能夠表征引力波的傳播。然而，廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)之美與其方程的復(fù)雜性不分伯仲。這些方程的一個(gè)特點(diǎn)就是它們是非線性的。所謂的非線性，指的是一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)與它所受的刺激并不成正比。

　　正如面對(duì)這種問(wèn)題時(shí)研究者常做的那樣，愛(ài)因斯坦決定先考慮簡(jiǎn)化后的情況。他把引力波視為對(duì)初始的“平坦”時(shí)空的微調(diào)一一即攝動(dòng)。如預(yù)料的一樣，他計(jì)算出了幾種不同類型的引力場(chǎng)振動(dòng)，而它們均以光速傳播。一個(gè)疑點(diǎn)與引力波的雙重性質(zhì)有關(guān)：引力波既是幾何學(xué)的，是空（時(shí)）間的波動(dòng);也是物理學(xué)的，是引力場(chǎng)的特征。

　　因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應(yīng)該能夠和一些物理量聯(lián)系在一起，比如速度、輻射功率等等。在愛(ài)因斯坦解出的6種引力波里（用現(xiàn)代物理術(shù)語(yǔ)來(lái)講就是6種偏振模式），只有兩種既能傳遞能量又以光速傳播。

　　這些波也是橫波，如同電磁波一樣，也就是說(shuō)它們只在與傳播方向垂直的平面上振動(dòng)。與此相反，聲波是縱波，會(huì)在傳播的方向上壓縮空氣。而愛(ài)因斯坦得到的其他4個(gè)偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機(jī)的。實(shí)際上這是個(gè)在當(dāng)時(shí)未能被理解的數(shù)學(xué)問(wèn)題，問(wèn)題出在了坐標(biāo)系的選擇上。引力波與電磁波攜帶著天體不同類型的信息。力波及其電磁對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)，有助于科學(xué)家結(jié)合不同信息研究天體的性質(zhì)，并檢驗(yàn)宇宙的基本規(guī)律。

　　例如哈勃常數(shù)，它是衡量宇宙膨脹速度的重要參數(shù)。目前，可通過(guò)測(cè)量Ia型超新星、重子聲波震蕩、宇宙微波背景等多種方式得到其數(shù)值。然而，隨著探測(cè)精度的提高，測(cè)量值的分歧越來(lái)越明顯。例如通過(guò)測(cè)量臨近Ia型超新星得到的哈勃常數(shù)數(shù)值，明顯大于普朗克太空衛(wèi)星通過(guò)宇宙微波背景觀測(cè)得到的哈勃常數(shù)數(shù)值。