一文讀懂引力波到底是什么？引力波有什么作用？

　　1、引力波的介紹

　　在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過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。在1916年 ，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結(jié)果，因?yàn)樗肓讼嗷プ饔玫膫鞑ニ俣扔邢薜母拍?。相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當(dāng)中，因?yàn)榕ｎD的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無限的。

　　各種各樣的引力波探測器正在建造或者運(yùn)行當(dāng)中，比如 advanced LIGO（aLIGO）從2015年9月份開始運(yùn)行觀測。

　　可能的引力波探測源包括致密雙星系統(tǒng)（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團(tuán)隊(duì)宣布他們已經(jīng)利用高級LIGO探測器，已經(jīng)首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。

　　2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位于美國漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺引力波探測器同時(shí)探測到了一個(gè)引力波信號；這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個(gè)引力波信號之后，人類探測到的第二個(gè)引力波信號 。

　　2017年10月16日，全球多國科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時(shí)“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。

　　在愛因斯坦的廣義相對論中，引力被認(rèn)為是時(shí)空彎曲的一種效應(yīng)。這種彎曲是因?yàn)橘|(zhì)量的存在而導(dǎo)致。通常而言，在一個(gè)給定的體積內(nèi)，包含的質(zhì)量越大，那么在這個(gè)體積邊界處所導(dǎo)致的時(shí)空曲率越大。當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體在時(shí)空當(dāng)中運(yùn)動的時(shí)候，曲率變化反應(yīng)了這些物體的位置變化。在某些特定環(huán)境之下，加速物體能夠?qū)@個(gè)曲率產(chǎn)生變化，并且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現(xiàn)象被稱之為引力波。

　　當(dāng)一個(gè)引力波通過一個(gè)觀測者的時(shí)候，因?yàn)閼?yīng)變（strain）效應(yīng)，觀測者就會發(fā)現(xiàn)時(shí)候時(shí)空被扭曲。當(dāng)引力波通過的時(shí)候，物體之間的距離就會發(fā)生有節(jié)奏的增加和減少，這個(gè)頻率對于這了引力波的頻率。這種效應(yīng)的強(qiáng)度與產(chǎn)生引力波源之間距離成反比。繞轉(zhuǎn)的雙中子星系統(tǒng)被預(yù)測，在當(dāng)它們合并的時(shí)候，是一個(gè)非常強(qiáng)的引力波源，由于它們彼此靠近繞轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的巨大加速度。由于通常距離這些源非常遠(yuǎn)，所以在地球上觀測時(shí)的效應(yīng)非常小，形變效應(yīng)小于1.0E-21?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用更為靈敏的探測器證實(shí)了引力波的存在。目前最為靈敏的探測是aLIGO，它的探測精度可以達(dá)到1.0E-22。更多的空間天文臺（歐洲航天局的eLISA計(jì)劃，中國的中國科學(xué)院太極計(jì)劃，和中山大學(xué)的天琴計(jì)劃）目前正在籌劃當(dāng)中。

　　引力波應(yīng)該能夠穿透那些電磁波不能穿透的地方。所以猜測引力波能夠提供給地球上的觀測者有關(guān)遙遠(yuǎn)宇宙中有關(guān)黑洞和其它奇異天體的信息。而這些天體不能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)的方式，比如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡，所觀測到，所以引力波天文學(xué)將給我們有關(guān)宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)的新認(rèn)識。尤其，引力波更為有趣的是，它能夠提供一種觀測極早期宇宙的方式，而這在傳統(tǒng)的天文學(xué)中是不可能做到的，因?yàn)樵谟钪嬖俸喜⒅?，宇宙對于電磁輻射是不透明的。所以，對于引力波的精確測量能夠讓科學(xué)家們更為全面的驗(yàn)證廣義相對論。

　　圖 ?引力波譜

　　不同引力波源所對應(yīng)的頻率范圍（注意頻率是取了對數(shù)后的值），周期。以及所對應(yīng)的探測方式。

　　通過研究引力波，科學(xué)家們能夠區(qū)分最初宇宙奇點(diǎn)所發(fā)生的事情。原則上，引力波在各個(gè)頻率上都有。不過非常低頻的引力波是不可能探測到的，在非常高頻的區(qū)域，也沒有可靠的引力波源?；艚穑⊿tephen Hawking） 和 以色列（Werner Israel） 認(rèn)為可能可以被探測到的引力波頻率，應(yīng)該在1.0E-7 Hz 到1E11Hz之間。

　　引力波在不斷的通過地球；然而，即使最強(qiáng)的引力波效應(yīng)也是非常小的，并且這些源距離我們很遠(yuǎn)。比如GW150914在最后的劇烈合并階段所長的引力波，在穿過13億光年之后到達(dá)地球，最為時(shí)空的漣漪，也僅僅將LIGO的4公里臂長改變了一個(gè)質(zhì)子直徑的萬分之一，也相當(dāng)于將太陽系到我們最近恒星之間距離改變了一個(gè)頭發(fā)絲的寬度。這種及其微小的變化，如果不借用異常精密的探測器，我們根本是探測不到的。

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　　圖 ? LIGO的兩個(gè)觀測站探測到了同一個(gè)引力波事件。

　　上面為觀測得到的曲線，下面是和理論相比較之后的擬合結(jié)果。

　　2、發(fā)現(xiàn)引力波意味著什么？

　　引力波的發(fā)現(xiàn)意義重大，從科學(xué)意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預(yù)言的引力波也可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦我們發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時(shí)期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團(tuán)，甚至了解宇宙的開端和運(yùn)行機(jī)制。因此也有這樣的說法，如果引力波的發(fā)現(xiàn)被確定，那么幾乎可以肯定會入選諾貝爾獎(jiǎng)。1993年的諾貝爾獎(jiǎng)就是授予了間接發(fā)現(xiàn)引力波存在的科學(xué)家，當(dāng)時(shí)兩位科學(xué)家泰勒和赫爾斯對脈沖星雙星系統(tǒng)PSR1913+16進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)內(nèi)有兩顆中子星，它們快速圍繞對方公轉(zhuǎn)，最終發(fā)現(xiàn)了引力波間接證據(jù)。

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　　一旦我們發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時(shí)期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團(tuán)，甚至了解宇宙的開端和運(yùn)行機(jī)制

　　2014年3月，BICEP2望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家稱發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時(shí)期產(chǎn)生的原初引力波，這個(gè)發(fā)現(xiàn)瞬間轟動了世界，科學(xué)家在宇宙微波背景輻射中探測到B模偏振，認(rèn)為這是原初引力波的證據(jù)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅意味著我們探測到引力波，而且還發(fā)現(xiàn)大爆炸時(shí)期的引力波，更令人驚訝的是根據(jù)這個(gè)理論我們甚至可以推出平行宇宙的存在。不過，很快BICEP2望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)成果被否定，科學(xué)家驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)是銀河系的塵埃對觀測形成干擾，這個(gè)發(fā)現(xiàn)是錯(cuò)誤。

　　由此也可以看出，引力波對于現(xiàn)代天文學(xué)而言是多么重要，一旦發(fā)現(xiàn)引力波直接證據(jù)，我們就能夠通過這個(gè)途徑觀測并研究它，進(jìn)而揭開宇宙深層奧秘。