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(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以行進(jìn)波的形式向外傳遞的一種方式。如同電荷被加速時(shí)會(huì)發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時(shí)就會(huì)發(fā)出引力輻射，這是廣義相對(duì)論的一項(xiàng)重要預(yù)言。

　　引力波與流體力學(xué)中的重力波很相似，當(dāng)液體表面或內(nèi)部液團(tuán)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(tuán)會(huì)處于上下振動(dòng)以達(dá)到平衡的狀態(tài)。即產(chǎn)生波動(dòng)。引力波則是由于空間質(zhì)量和速度的變化導(dǎo)致空間產(chǎn)生的波動(dòng)。

　　LIGO在2016年2月11日宣布“探測(cè)到引力波的存在”，引力波將幫助研究人員探測(cè)其它神秘而強(qiáng)大的宇宙事件，施茨說：“引力波具有很強(qiáng)的穿透能力，因此它們可使我們直接觀測(cè)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(xué)領(lǐng)域

　　1、黑洞是否真實(shí)存在？

　　LIGO探測(cè)到黑洞合并的重要科學(xué)意義是，證實(shí)黑洞真實(shí)存在——至少是廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的由純凈、真空、扭曲時(shí)空組成的完美圓形物體。天文學(xué)家已經(jīng)獲得了大量有關(guān)黑洞的間接證據(jù)，但至今都是來自觀測(cè)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(xué)廣義相對(duì)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(xué)界包括我自己都非常厭倦了黑洞話題，我們都認(rèn)為黑洞是理所當(dāng)然存在，但如果你考慮到這是非常驚人的預(yù)測(cè)，真的需要驚人的證據(jù)。”

　　LIGO探測(cè)到的信號(hào)提供了證據(jù)——也證實(shí)2個(gè)黑洞合并過程與預(yù)期一致。當(dāng)2個(gè)黑洞開始螺旋式相互靠攏，以引力波形式釋放能量時(shí)，合并發(fā)生了。LIGO探測(cè)到這種波的特殊聲音，被稱為啁啾，允許科學(xué)家測(cè)量天文臺(tái)觀測(cè)到的事件中2個(gè)物體的質(zhì)量：一個(gè)約為太陽(yáng)的36倍，另一個(gè)為29倍。

　　接下來黑洞融合了。巴黎高級(jí)科學(xué)研究院的引力理論學(xué)家迪博·達(dá)姆爾（Thibault Damour）表示：“如同將2個(gè)肥皂泡沫靠得很近變成一個(gè)泡沫，起初更大的泡沫產(chǎn)生變形?！闭鏛IGO看到的，2個(gè)黑洞合并后變成一個(gè)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(dāng)科學(xué)家開始將LIGO的觀測(cè)結(jié)果與其他類型天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，他們首先要核實(shí)的事情之一就是這些信號(hào)是否是同時(shí)到達(dá)。物理學(xué)家猜測(cè)，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(duì)論對(duì)引力波速度的預(yù)測(cè)。（速度會(huì)受宇宙加速膨脹的影響，但要在超過LIGO能探測(cè)的遠(yuǎn)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(huì)低于光速。如果這樣，LIGO和Virgo可從宇宙事件中探測(cè)到引力波，這些波到達(dá)地球的時(shí)間要比其他天文望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的相關(guān)γ射線爆發(fā)要晚，這對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)將有巨大的影響。

　　3、時(shí)空是否由宇宙弦組成

　　如果引力波爆發(fā)被探測(cè)到來自“宇宙弦”，將產(chǎn)生更奇怪的發(fā)現(xiàn)。在時(shí)空彎曲中出現(xiàn)的這些假設(shè)的瑕疵，可能也可能不是與弦理論有關(guān)，將是無限薄但在整個(gè)宇宙中延伸。研究人員預(yù)測(cè)，這些宇宙弦如果存在可能會(huì)偶爾打結(jié)，如果一根弦斷了，會(huì)突然釋放出一陣引力波，然后被LIGO和Virgo等探測(cè)器測(cè)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(dǎo)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(dú)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(huì)破壞時(shí)空，以正弦波形式產(chǎn)生持續(xù)的引力波信號(hào)，輻射能量并放慢中子星的旋轉(zhuǎn)速度。

　　相互繞軌道運(yùn)行的一對(duì)中子星也可能產(chǎn)生持續(xù)的信號(hào)，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(shí)會(huì)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?！崩纾喜⒑蟮男求w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(xué)家認(rèn)為，這個(gè)過程就是II型超新星爆炸。但通過對(duì)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(yuǎn)鏡觀測(cè)到這種爆發(fā)的波形、聲音、頻率和它們與超新星的關(guān)系，可幫助驗(yàn)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(yuǎn)的星體比實(shí)際更紅，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光在旅行過程中被拉長(zhǎng)了。通過對(duì)比星系的紅移（red shift）與星系與我們的距離，宇宙學(xué)家可以估計(jì)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(gè)引力波探測(cè)器能同時(shí)探測(cè)到同一中子星合并的信號(hào)，它們將能估計(jì)信號(hào)的絕對(duì)響度，揭示合并發(fā)生與地球的距離。它們也能用于估計(jì)信號(hào)的方向，然后天文學(xué)家可推斷出合并發(fā)生在哪個(gè)星系。將星系的紅移與引力波響度測(cè)量出的合并發(fā)生的距離進(jìn)行對(duì)比，可獨(dú)立估計(jì)出宇宙膨脹的速度，精確度可能超過當(dāng)前任何手段。

　　引力波有什么用_應(yīng)用方面

　　黑洞合并

　　黑洞合并是重要的天文現(xiàn)象，也是公認(rèn)的最強(qiáng)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(gè)強(qiáng)引力源，因此黑洞的合并只會(huì)輻射引力波。實(shí)際中由于黑洞會(huì)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(cè)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(gè)黑洞合并了，不能告訴我們它們?cè)趺春喜ⅲ?/p>

　　這幾年隨著計(jì)算相對(duì)論（Numerical Relativity）的發(fā)展，人類對(duì)黑洞合并可以進(jìn)行比較準(zhǔn)確的模擬，并預(yù)言了一些現(xiàn)象，比如引力輻射的能量，黑洞角動(dòng)量的進(jìn)動(dòng)，以及Black hole recoil（不會(huì)翻譯，大概是兩個(gè)黑洞合并通過輻射引力波獲得極高的反沖速度，達(dá)到每秒5000千米）。如果能對(duì)引力波的波形進(jìn)行分析，我們可以驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)，進(jìn)而驗(yàn)證廣義相對(duì)論，同時(shí)還能對(duì)星系的演化有更深的認(rèn)識(shí)。

　　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(cè)到，引力波可以提供一些獨(dú)特的細(xì)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(cè)所證實(shí)，盡管理論認(rèn)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(shí)探測(cè)到相關(guān)的引力波信號(hào)，這將會(huì)證實(shí)中子星與伽馬射線暴的關(guān)系，同時(shí)大大推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。

　　由于強(qiáng)相互作用的復(fù)雜性，人們對(duì)中子星的內(nèi)部構(gòu)造仍然缺乏認(rèn)識(shí)。目前仍然缺乏好的中子簡(jiǎn)并態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)方程（Equation of state，描述物質(zhì)溫度，壓強(qiáng)與密度的關(guān)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(jìn)量子色動(dòng)力學(xué)（描述強(qiáng)相互作用的理論）的發(fā)展。此外不少理論認(rèn)為中子星的碰撞是宇宙中重元素（如金，鈾）的主要來源，對(duì)中子星碰撞的深入了解可以促進(jìn)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(duì)宇宙早期的認(rèn)識(shí)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(duì)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(qiáng)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(xué)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(yáng)揚(yáng)的BICEP II就是關(guān)于原初引力波的。盡管該實(shí)驗(yàn)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(jìn)宇宙學(xué)，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(zhǎng)很長(zhǎng)，而且受制于觀測(cè)手段，引力波觀測(cè)只能分析波形，而不能進(jìn)行成像。也就是只能“聽”不能“看”。我不知道未來能不能對(duì)引力波進(jìn)行成像。