引力波是什么

　　在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，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。

　　引力波的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠源處為平面波；有兩個獨立的偏振態(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)，及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過程，都能輻射較強的引力波。

　　如何確定引力波的來源和方向

　　對于一個瞬時信號源的定位包括兩方面問題：一是方向，二是距離。

　　LIGO本身是相互垂直的兩條光路，所以對于信號方向測定有一定的幫助，但還遠遠不夠。重力波信號源的測定更多是基于LIGO的兩個探測站，相距2000英里左右，成為了一個三角定位問題。實際測量時，兩個站收到信號的時間相差了6.9毫秒，差不多是光速跑2000英里所需的時間，也證實了引力波是以光速傳播的。

　　當然，由于信號源距離地球非常的遙遠，所以在地球上相距2000英里的兩個探測器之間這點些微的差距很難精確定位信號源。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東西的遠近，但很難分辨幾百米外兩樣東西的遠近（前提是你不知道那兩樣東西的尺寸），因為在遙遠的距離上視差已經(jīng)非常小了。

　　實際上，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。這在天文研究來講已經(jīng)是非常非常非常之大的誤差了。

　　至于信號源的距離，主要是靠紅移來測量的。因為黑洞合并事件引發(fā)的引力波信號特征（包括頻率、相位、潮汐效應、末尾鈴蕩的波形等）中，有些帶有黑洞絕對質(zhì)量的信息，以之進行修正，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)。這次引力波信號的紅移為0.09（+0.03 -0.04），對應13億光年。但看它的誤差范圍就知道，超過了正負三分之一，也就是正負4到5億光年左右，很難說是精準的。

　　要精確定位，有兩條路：一是有距離更遠的探測器或多個探測器加入進來，共同校準。這次地球上唯一另外一個引力波探測器GEO600當時不在測量模式，所以沒法提供幫助。試想，如果我們可以在泰坦上建一個引力波探測器，那么對信號源的定位精度將會有數(shù)量級的提高。

　　第二個方法是加入別的探測手段。因為黑洞合并是個高能事件，會伴隨可見光，伽馬射線爆等多種物理現(xiàn)象。如果能夠結(jié)合其他探測手段的探測結(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、振動的彈性介質(zhì)，因此它可以傳播波。自1916年起，愛因斯坦就開始嘗試證明他的廣義相對論方程包含一個解，這個解能夠表征引力波的傳播。然而，廣義相對論的數(shù)學之美與其方程的復雜性不分伯仲。這些方程的一個特點就是它們是非線性的。所謂的非線性，指的是一個系統(tǒng)產(chǎn)生的反應與它所受的刺激并不成正比。

　　正如面對這種問題時研究者常做的那樣，愛因斯坦決定先考慮簡化后的情況。他把引力波視為對初始的“平坦”時空的微調(diào)——即攝動。如預料的一樣，他計算出了幾種不同類型的引力場振動，而它們均以光速傳播。但是他很快就開始懷疑，這些解在物理上是否真實存在。

　　一個疑點與引力波的雙重性質(zhì)有關(guān)：引力波既是幾何學的，是空（時）間的波動；也是物理學的，是引力場的特征。因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應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。在愛因斯坦解出的6種引力波里（用現(xiàn)代物理術(shù)語來講就是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，也就是說它們只在與傳播方向垂直的平面上振動。與此相反，聲波是縱波，會在傳播的方向上壓縮空氣。

　　而愛因斯坦得到的其他4個偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機的。實際上這是個在當時未能被理解的數(shù)學問題，問題出在了坐標系的選擇上。

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

　　令人琢磨不透的坐標系性質(zhì)，加上方程的非線性，不僅讓涉及廣義相對論的物理問題計算起來極為困難，還讓結(jié)果難以理解。這就是物理學家在20世紀60年代以前都未能理解黑洞視界的原因。1936年左右，愛因斯坦也一度相信自己和納森·羅森（Nathan Rosen，愛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。而這個結(jié)論與愛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，這些問題看似容易，但實際上非常復雜，以至于物理學家一直在研究這些問題，經(jīng)過了幾十年才能得出初步結(jié)論。

　　引力波傳播需要介質(zhì)嗎

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

　　聲音是一種機械波，機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)，因為傳播的擾動不是介質(zhì)的移動而是場。力波被LIGO轉(zhuǎn)化為聲音片段。

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

　　正如面對這種問題時研究者常做的那樣，愛因斯坦決定先考慮簡化后的情況。他把引力波視為對初始的“平坦”時空的微調(diào)一一即攝動。如預料的一樣，他計算出了幾種不同類型的引力場振動，而它們均以光速傳播。一個疑點與引力波的雙重性質(zhì)有關(guān)：引力波既是幾何學的，是空（時）間的波動;也是物理學的，是引力場的特征。

　　因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應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。在愛因斯坦解出的6種引力波里（用現(xiàn)代物理術(shù)語來講就是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，也就是說它們只在與傳播方向垂直的平面上振動。與此相反，聲波是縱波，會在傳播的方向上壓縮空氣。而愛因斯坦得到的其他4個偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機的。實際上這是個在當時未能被理解的數(shù)學問題，問題出在了坐標系的選擇上。引力波與電磁波攜帶著天體不同類型的信息。力波及其電磁對應體的發(fā)現(xiàn)，有助于科學家結(jié)合不同信息研究天體的性質(zhì)，并檢驗宇宙的基本規(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，可通過測量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，隨著探測精度的提高，測量值的分歧越來越明顯。例如通過測量臨近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)星通過宇宙微波背景觀測得到的哈勃常數(shù)數(shù)值。