引力波是什么_引力波有什么用 - 全文

　　引力波有什么用

　　引力波也称重力波，引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式。如同电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。

　　引力波与流体力学中的重力波很相似，当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置，在重力（gravity force）和浮力（buoyancy force）的综合作用下，液团会处于上下振动以达到平衡的状态。即产生波动。引力波则是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。

　　LIGO在2016年2月11日宣布“探测到引力波的存在”，引力波将帮助研究人员探测其它神秘而强大的宇宙事件，施茨说：“引力波具有很强的穿透能力，因此它们可使我们直接观测到超新星爆炸、伽马射线暴和其它大量宇宙隐藏秘密的更多信息。”

　　

　　引力波有什么用_天文学领域

　　1、黑洞是否真实存在？

　　

　　LIGO探测到黑洞合并的重要科学意义是，证实黑洞真实存在——至少是广义相对论预测的由纯净、真空、扭曲时空组成的完美圆形物体。天文学家已经获得了大量有关黑洞的间接证据，但至今都是来自观测围绕黑洞的星体和超热气体，而非黑洞本身获得。

　　新泽西普林斯顿大学广义相对论模拟专家弗朗斯·普雷托里乌斯（Frans Pretorius）在LIGO宣布前曾表示：“科学界包括我自己都非常厌倦了黑洞话题，我们都认为黑洞是理所当然存在，但如果你考虑到这是非常惊人的预测，真的需要惊人的证据。”

　　LIGO探测到的信号提供了证据——也证实2个黑洞合并过程与预期一致。当2个黑洞开始螺旋式相互靠拢，以引力波形式释放能量时，合并发生了。LIGO探测到这种波的特殊声音，被称为啁啾，允许科学家测量天文台观测到的事件中2个物体的质量：一个约为太阳的36倍，另一个为29倍。

　　接下来黑洞融合了。巴黎高级科学研究院的引力理论学家迪博·达姆尔（Thibault Damour）表示：“如同将2个肥皂泡沫靠得很近变成一个泡沫，起初更大的泡沫产生变形。”正如LIGO看到的，2个黑洞合并后变成一个完美的球形，但起初以衰荡形式向外辐射引力波。

　　2、引力波是否以光速传播？

　　当科学家开始将LIGO的观测结果与其他类型天文望远镜的观测结果进行对比，他们首先要核实的事情之一就是这些信号是否是同时到达。物理学家猜测，引力是通过被称为引力子的粒子传播，类似光波中的光子。如果这些粒子与光子一样没有质量，那么引力波就可以光速传播，符合广义相对论对引力波速度的预测。（速度会受宇宙加速膨胀的影响，但要在超过LIGO能探测的远得多的距离才能显现）

　　引力子有很小质量也是可能的，这意味着引力波的速度会低于光速。如果这样，LIGO和Virgo可从宇宙事件中探测到引力波，这些波到达地球的时间要比其他天文望远镜探测到的相关γ射线爆发要晚，这对基础物理学将有巨大的影响。

　　3、时空是否由宇宙弦组成

　　

　　如果引力波爆发被探测到来自“宇宙弦”，将产生更奇怪的发现。在时空弯曲中出现的这些假设的瑕疵，可能也可能不是与弦理论有关，将是无限薄但在整个宇宙中延伸。研究人员预测，这些宇宙弦如果存在可能会偶尔打结，如果一根弦断了，会突然释放出一阵引力波，然后被LIGO和Virgo等探测器测量到。

　　4、中子星

　　

　　中子星是恒星因自身质量而坍塌的遗迹，密度非常大，导致电子和质子融合为中子。这种极端物理现象难以理解，但引力波提供了独特的视角。例如，中子星表面的巨大引力往往使它们几乎成为完美的球形。但一些研究人员通过理论研究发现，中子星也可能存在“山脉”——虽然最多只有几毫米高——但足以使直径约为10公里的中子星产生不匀称。中子星通常旋转速度很快，因此质量的不均匀分布可能会破坏时空，以正弦波形式产生持续的引力波信号，辐射能量并放慢中子星的旋转速度。

　　相互绕轨道运行的一对中子星也可能产生持续的信号，如同黑洞一样，这些星体以螺旋方式相互缠绕并最终合并，有时会产生声音啁啾。但它们的最终融合可能与黑洞有很大不同。普雷托里乌斯称：“有很多可能，这要看质量和高密度中子物体产生的压力。”例如，合并后的星体可能是巨大的中子星，也可能迅速坍塌变成黑洞。

　　5、恒星为何爆炸？

　　

　　质量巨大的恒星不再发光并因自身质量而坍塌，形成了黑洞和中子星。天体物理学家认为，这个过程就是II型超新星爆炸。但通过对这种过程的模拟还无法解释爆炸的原因，而超新星产生的引力波爆发可帮助解释这种现象。从射电天文望远镜观测到这种爆发的波形、声音、频率和它们与超新星的关系，可帮助验证或否定现有的各种模型。

　　6、宇宙膨胀速度多快？

　　

　　宇宙膨胀意味着从银河系看，遥远的星体比实际更红，因为它们发出的光在旅行过程中被拉长了。通过对比星系的红移（red shift）与星系与我们的距离，宇宙学家可以估计出宇宙膨胀的速度。但这种距离通常用la型超新星的亮度来判断——这种手段带来很大不确定性。

　　如果全球多个引力波探测器能同时探测到同一中子星合并的信号，它们将能估计信号的绝对响度，揭示合并发生与地球的距离。它们也能用于估计信号的方向，然后天文学家可推断出合并发生在哪个星系。将星系的红移与引力波响度测量出的合并发生的距离进行对比，可独立估计出宇宙膨胀的速度，精确度可能超过当前任何手段。

　　引力波有什么用_应用方面

　　黑洞合并

　　黑洞合并是重要的天文现象，也是公认的最强的引力波源，特别是星系合并带来的核心巨型黑洞的合并。理想状态下黑洞只是一个强引力源，因此黑洞的合并只会辐射引力波。实际中由于黑洞会吸积星际物质产生电磁辐射，我们可以通过电磁波（主要是X射线）间接观测黑洞合并的事件，但这种手段提供的信息很有限（只能告诉我们有两个黑洞合并了，不能告诉我们它们怎么合并）。

　　这几年随着计算相对论（Numerical Relativity）的发展，人类对黑洞合并可以进行比较准确的模拟，并预言了一些现象，比如引力辐射的能量，黑洞角动量的进动，以及Black hole recoil（不会翻译，大概是两个黑洞合并通过辐射引力波获得极高的反冲速度，达到每秒5000千米）。如果能对引力波的波形进行分析，我们可以验证这些预测，进而验证广义相对论，同时还能对星系的演化有更深的认识。

　　超新星爆炸

　　超新星爆炸也是引力波理论上的重要来源。尽管超新星可以很容易通过电磁波，中微子观测到，引力波可以提供一些独特的细节。由于引力波只反映了质量分布的变化，我们可以获得超新星物质运动的宏观信息。引力波可以轻易的穿透恒星的外层物质，几乎不发生衰减和畸变，我们可以了解超新星内部的情况。这些对天体物理，恒星演化有着极其重要的意义。

　　中子星—中子星/黑洞碰撞

　　中子星—中子星和中子星—黑洞的碰撞目前还没有被天文观测所证实，尽管理论认为它们是短伽马射线暴的来源。如果我们能在短伽马射线暴的同时探测到相关的引力波信号，这将会证实中子星与伽马射线暴的关系，同时大大推进相关领域的认识。

　　由于强相互作用的复杂性，人们对中子星的内部构造仍然缺乏认识。目前仍然缺乏好的中子简并态物质的状态方程（Equation of state，描述物质温度，压强与密度的关系式，如理想气体状态方程），如果能分析中子星与中子星或黑洞碰撞的引力波的波形，我们可以更好的修正状态方程，从而促进量子色动力学（描述强相互作用的理论）的发展。此外不少理论认为中子星的碰撞是宇宙中重元素（如金，铀）的主要来源，对中子星碰撞的深入了解可以促进元素合成理论的发展。

　　宇宙大爆炸早期，暴涨过程

　　目前人类对宇宙早期的认识主要来自宇宙微波背景辐射（CMB）。然而早期的宇宙是高密度的等离子汤，对电磁波不透明，因此CMB只能反映宇宙诞生38万年之后的事。然而，由于引力波有极强的穿透性，可以畅通无阻的穿过早期的等离子汤，因而可以记录宇宙大爆炸早期的事件，如暴涨。科学家相信存在这样的“引力波背景辐射”，即原初引力波（primordial gravitational wave）。

　　值得一提的是，2014年闹得沸沸扬扬的BICEP II就是关于原初引力波的。尽管该实验最后被否定了，但精度更高的BICEP III已经上线。如果能发现原初引力波，可以极大的促进宇宙学，量子引力等理论的发展。

　　需要说明的是，由于大部分引力波源产生的引力波的波长很长，而且受制于观测手段，引力波观测只能分析波形，而不能进行成像。也就是只能“听”不能“看”。我不知道未来能不能对引力波进行成像。