引力波是什么_引力波有什么用 - 全文

　　引力波有什么用

　　引力波也稱重力波，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時會發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時就會發(fā)出引力輻射，這是廣義相對論的一項重要預言。

　　引力波與流體力學中的重力波很相似，當液體表面或內(nèi)部液團由于密度差異離開原來位置，在重力（gravity force）和浮力（buoyancy force）的綜合作用下，液團會處于上下振動以達到平衡的狀態(tài)。即產(chǎn)生波動。引力波則是由于空間質(zhì)量和速度的變化導致空間產(chǎn)生的波動。

　　LIGO在2016年2月11日宣布“探測到引力波的存在”，引力波將幫助研究人員探測其它神秘而強大的宇宙事件，施茨說：“引力波具有很強的穿透能力，因此它們可使我們直接觀測到超新星爆炸、伽馬射線暴和其它大量宇宙隱藏秘密的更多信息?！?/p>

　　引力波有什么用_天文學領域

　　1、黑洞是否真實存在？

　　LIGO探測到黑洞合并的重要科學意義是，證實黑洞真實存在——至少是廣義相對論預測的由純凈、真空、扭曲時空組成的完美圓形物體。天文學家已經(jīng)獲得了大量有關黑洞的間接證據(jù)，但至今都是來自觀測圍繞黑洞的星體和超熱氣體，而非黑洞本身獲得。

　　新澤西普林斯頓大學廣義相對論模擬專家弗朗斯·普雷托里烏斯（Frans Pretorius）在LIGO宣布前曾表示：“科學界包括我自己都非常厭倦了黑洞話題，我們都認為黑洞是理所當然存在，但如果你考慮到這是非常驚人的預測，真的需要驚人的證據(jù)?！?/p>

　　LIGO探測到的信號提供了證據(jù)——也證實2個黑洞合并過程與預期一致。當2個黑洞開始螺旋式相互靠攏，以引力波形式釋放能量時，合并發(fā)生了。LIGO探測到這種波的特殊聲音，被稱為啁啾，允許科學家測量天文臺觀測到的事件中2個物體的質(zhì)量：一個約為太陽的36倍，另一個為29倍。

　　接下來黑洞融合了。巴黎高級科學研究院的引力理論學家迪博·達姆爾（Thibault Damour）表示：“如同將2個肥皂泡沫靠得很近變成一個泡沫，起初更大的泡沫產(chǎn)生變形?！闭鏛IGO看到的，2個黑洞合并后變成一個完美的球形，但起初以衰蕩形式向外輻射引力波。

　　2、引力波是否以光速傳播？

　　當科學家開始將LIGO的觀測結(jié)果與其他類型天文望遠鏡的觀測結(jié)果進行對比，他們首先要核實的事情之一就是這些信號是否是同時到達。物理學家猜測，引力是通過被稱為引力子的粒子傳播，類似光波中的光子。如果這些粒子與光子一樣沒有質(zhì)量，那么引力波就可以光速傳播，符合廣義相對論對引力波速度的預測。（速度會受宇宙加速膨脹的影響，但要在超過LIGO能探測的遠得多的距離才能顯現(xiàn)）

　　引力子有很小質(zhì)量也是可能的，這意味著引力波的速度會低于光速。如果這樣，LIGO和Virgo可從宇宙事件中探測到引力波，這些波到達地球的時間要比其他天文望遠鏡探測到的相關γ射線爆發(fā)要晚，這對基礎物理學將有巨大的影響。

　　3、時空是否由宇宙弦組成

　　如果引力波爆發(fā)被探測到來自“宇宙弦”，將產(chǎn)生更奇怪的發(fā)現(xiàn)。在時空彎曲中出現(xiàn)的這些假設的瑕疵，可能也可能不是與弦理論有關，將是無限薄但在整個宇宙中延伸。研究人員預測，這些宇宙弦如果存在可能會偶爾打結(jié)，如果一根弦斷了，會突然釋放出一陣引力波，然后被LIGO和Virgo等探測器測量到。

　　4、中子星

　　中子星是恒星因自身質(zhì)量而坍塌的遺跡，密度非常大，導致電子和質(zhì)子融合為中子。這種極端物理現(xiàn)象難以理解，但引力波提供了獨特的視角。例如，中子星表面的巨大引力往往使它們幾乎成為完美的球形。但一些研究人員通過理論研究發(fā)現(xiàn)，中子星也可能存在“山脈”——雖然最多只有幾毫米高——但足以使直徑約為10公里的中子星產(chǎn)生不勻稱。中子星通常旋轉(zhuǎn)速度很快，因此質(zhì)量的不均勻分布可能會破壞時空，以正弦波形式產(chǎn)生持續(xù)的引力波信號，輻射能量并放慢中子星的旋轉(zhuǎn)速度。

　　相互繞軌道運行的一對中子星也可能產(chǎn)生持續(xù)的信號，如同黑洞一樣，這些星體以螺旋方式相互纏繞并最終合并，有時會產(chǎn)生聲音啁啾。但它們的最終融合可能與黑洞有很大不同。普雷托里烏斯稱：“有很多可能，這要看質(zhì)量和高密度中子物體產(chǎn)生的壓力。”例如，合并后的星體可能是巨大的中子星，也可能迅速坍塌變成黑洞。

　　5、恒星為何爆炸？

　　質(zhì)量巨大的恒星不再發(fā)光并因自身質(zhì)量而坍塌，形成了黑洞和中子星。天體物理學家認為，這個過程就是II型超新星爆炸。但通過對這種過程的模擬還無法解釋爆炸的原因，而超新星產(chǎn)生的引力波爆發(fā)可幫助解釋這種現(xiàn)象。從射電天文望遠鏡觀測到這種爆發(fā)的波形、聲音、頻率和它們與超新星的關系，可幫助驗證或否定現(xiàn)有的各種模型。

　　6、宇宙膨脹速度多快？

　　宇宙膨脹意味著從銀河系看，遙遠的星體比實際更紅，因為它們發(fā)出的光在旅行過程中被拉長了。通過對比星系的紅移（red shift）與星系與我們的距離，宇宙學家可以估計出宇宙膨脹的速度。但這種距離通常用la型超新星的亮度來判斷——這種手段帶來很大不確定性。

　　如果全球多個引力波探測器能同時探測到同一中子星合并的信號，它們將能估計信號的絕對響度，揭示合并發(fā)生與地球的距離。它們也能用于估計信號的方向，然后天文學家可推斷出合并發(fā)生在哪個星系。將星系的紅移與引力波響度測量出的合并發(fā)生的距離進行對比，可獨立估計出宇宙膨脹的速度，精確度可能超過當前任何手段。

　　引力波有什么用_應用方面

　　黑洞合并

　　黑洞合并是重要的天文現(xiàn)象，也是公認的最強的引力波源，特別是星系合并帶來的核心巨型黑洞的合并。理想狀態(tài)下黑洞只是一個強引力源，因此黑洞的合并只會輻射引力波。實際中由于黑洞會吸積星際物質(zhì)產(chǎn)生電磁輻射，我們可以通過電磁波（主要是X射線）間接觀測黑洞合并的事件，但這種手段提供的信息很有限（只能告訴我們有兩個黑洞合并了，不能告訴我們它們怎么合并）。

　　這幾年隨著計算相對論（Numerical Relativity）的發(fā)展，人類對黑洞合并可以進行比較準確的模擬，并預言了一些現(xiàn)象，比如引力輻射的能量，黑洞角動量的進動，以及Black hole recoil（不會翻譯，大概是兩個黑洞合并通過輻射引力波獲得極高的反沖速度，達到每秒5000千米）。如果能對引力波的波形進行分析，我們可以驗證這些預測，進而驗證廣義相對論，同時還能對星系的演化有更深的認識。

　　超新星爆炸

　　超新星爆炸也是引力波理論上的重要來源。盡管超新星可以很容易通過電磁波，中微子觀測到，引力波可以提供一些獨特的細節(jié)。由于引力波只反映了質(zhì)量分布的變化，我們可以獲得超新星物質(zhì)運動的宏觀信息。引力波可以輕易的穿透恒星的外層物質(zhì)，幾乎不發(fā)生衰減和畸變，我們可以了解超新星內(nèi)部的情況。這些對天體物理，恒星演化有著極其重要的意義。

　　中子星—中子星/黑洞碰撞

　　中子星—中子星和中子星—黑洞的碰撞目前還沒有被天文觀測所證實，盡管理論認為它們是短伽馬射線暴的來源。如果我們能在短伽馬射線暴的同時探測到相關的引力波信號，這將會證實中子星與伽馬射線暴的關系，同時大大推進相關領域的認識。

　　由于強相互作用的復雜性，人們對中子星的內(nèi)部構造仍然缺乏認識。目前仍然缺乏好的中子簡并態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)方程（Equation of state，描述物質(zhì)溫度，壓強與密度的關系式，如理想氣體狀態(tài)方程），如果能分析中子星與中子星或黑洞碰撞的引力波的波形，我們可以更好的修正狀態(tài)方程，從而促進量子色動力學（描述強相互作用的理論）的發(fā)展。此外不少理論認為中子星的碰撞是宇宙中重元素（如金，鈾）的主要來源，對中子星碰撞的深入了解可以促進元素合成理論的發(fā)展。

　　宇宙大爆炸早期，暴漲過程

　　目前人類對宇宙早期的認識主要來自宇宙微波背景輻射（CMB）。然而早期的宇宙是高密度的等離子湯，對電磁波不透明，因此CMB只能反映宇宙誕生38萬年之后的事。然而，由于引力波有極強的穿透性，可以暢通無阻的穿過早期的等離子湯，因而可以記錄宇宙大爆炸早期的事件，如暴漲?？茖W家相信存在這樣的“引力波背景輻射”，即原初引力波（primordial gravitational wave）。

　　值得一提的是，2014年鬧得沸沸揚揚的BICEP II就是關于原初引力波的。盡管該實驗最后被否定了，但精度更高的BICEP III已經(jīng)上線。如果能發(fā)現(xiàn)原初引力波，可以極大的促進宇宙學，量子引力等理論的發(fā)展。

　　需要說明的是，由于大部分引力波源產(chǎn)生的引力波的波長很長，而且受制于觀測手段，引力波觀測只能分析波形，而不能進行成像。也就是只能“聽”不能“看”。我不知道未來能不能對引力波進行成像。