物理界沸沸扬扬，观测引力波为何如此重要？科学家给出了五个原因

2016年随着史上第一次引力波的发现，物理界沸沸扬扬。但是引力波为什么这么重要呢？标志着首次引力波发现的历史性宣告。重要的新闻发布会被举行，全世界的物理学家都在庆祝这一重大发现。这一发现甚至可以与伽利略第一次用望远镜观察相比。所以为什么大家这么大张旗鼓？为什么引力波如此重要呢？

1.引力波是观察宇宙的一种全新方式

天文学家通过电磁波谱来观察宇宙，从光学的X射线和紫外线到射频。这些频率范围中的每一种放射物都可以提供不同的信息，同时也给我们天文学提供了不同的视角。

举例来说，我们知道在银河系的中心聚集着数百万颗恒星，并且它们主要的放射波长在光学波长。但是银河系的中心同时也有很多尘埃。如果要研究这些尘埃笼罩的恒星的话，天文学家们必须在红外波长(尘埃发射波长的区间)或者无线电波长中来观察它们（对于较短的光波来说无线电波能更有效的穿透尘埃）。所有的这些波长都给我们提供了观察宇宙的独特视角，但是它们都是相同类型的电磁辐射，所以它们特性都是类似的，都是已经被理解了的。

引力波是一种全新的不同于电磁波谱上的任何东西的现象。在1915年阿尔伯特·爱因斯坦通过他的广义相对论提出了一种非常独特的观察引力的方法。他将引力描述时空中的曲率而不是向不同方向施加的推动和拉动大型物体的力。换句话说，大型物体周围的空间和时间是弯曲的，然后这些弯曲的空间和时间决定了物体如果通过这个时空。

这可能听起来非常无厘头，但是实际上我们可以观测到爱因斯坦的理论所描述的现象。举个例子，广义相对论告诉我们地球上的时间比地球轨道上运行的卫星要慢非常少的一点。这个现象叫做时间膨胀，是时空曲率的所造成。如果我们不调整卫星通信中的这个小时差，我们永远无法到达我们原先想要去的地方。

广义相对论框架的结果是当物体通过时空的曲度并加速时会产生称为引力波的涟漪。这些波在空间中传播，在一个方向上压缩并在另一个方向拉伸时空。

这些波的预测频率在人类听觉范围之内。我们可以听到引力波。科学家和艺术家已经开始联手从艺术的角度诠释引力波。

那为什么我们花了100年才发现引力波呢？因为这些涟漪极其微小，大概是质子核大小的千分之一，所以我们需要一个相对来说非常剧烈的事件来产生足够的引力波供我们探测。当然同时我们还需要一个非常灵敏的探测器。

2.引力波探测仪是迄今为止最精确的测量系统

为了检测到时空中的这种微小的扭曲，物理学家使用了一种称为激光干涉仪的仪器。聚焦光束被朝着不同方向发送在两组镜子之间来回反弹后被送到检测器。如果在这些弹射过程中引力波经过干涉仪，反射镜之间的距离会发生微小的变化。这个变化会被探测仪转化为两个信号之间的测量差异。

不仅来自引力波的信号非常微弱，同时还有很多的噪音干扰。为了增加引力波对于背景噪音的可检测性，激光需要经过很长的路径。激光干涉仪引力波观测台（LIGO），这个做出了历史性探测的仪器每侧长达4公里。为了隔离来自于地面干扰的引力波引起的稍快的摆动的干扰，探测器被进一步悬挂在空中。

为了进一步的避免检测错误，LIGO有不止一个，而是两个探测器：一个在华盛顿州汉福德，另一个在路易斯安那州利文斯顿。在两个分开的位置检测懂啊相同的信号意味着检测到的信号不是本地的信号。而这正是2015年9月14日所发的的事情：在两个探测器上观测到了仅差距几毫秒的具有基准特性的信号。

3.我们知道黑洞可以合并成甚至更大的黑洞

著名的物理学家和作者基普·索恩将创造引力波的事件称为“空间和时间结构中的猛烈风暴”。在大约13亿年前，当地球上的多细胞生物才刚刚萌发时，两个相互绕行的黑洞开始合并。当这些高密度的物体越来越近时，他们会在供有的强引力场中加速到近一半的光速。这是引力波形成的完美场合。

通过拟和引力波检测并将其与超级计算机的模拟进行对比，天文学家们可以得出这两个黑洞原本的质量是太阳的29倍和36倍。它们合并成了一个62倍太阳质量的黑洞，这意味着三倍太阳质量的能量以引力波的形式被释放。而且所有的这些碰撞都发生在20毫秒内！这是宇宙中所有恒星一起的能量输出的50倍。

在这第一次探测之前，天文学家还并不确定黑洞的合并是否可能发生。然而现在这一时间的细节都已经被高度确认了。

4.数百人承受极大风险确保此检测的可能性

虽然爱因斯坦在100年前就预测了引力波的存在，但是在当时，人们对检测这种微弱信号的可能性保持着很大的疑问。在1992年,LIGO成为了国家科学基金会有史以来最大的投资。这个投资的风险非常大—因为引力波仅理论上存在，即使它们的信号是真实的，如果没有比之前建造国的任何其他测量设备更大的仪器，是无法检测到它们的信号的。实际上，LIGO在2002年到2012年间的初步建造一无所获。

但是当被改进的新型LIGO呈现出更高的灵敏性时，它检测到了一条非常清晰的信号，甚至可以被肉眼所见。

5.有了探测宇宙的新耳朵，我们甚至可以发现还没有被想到的发现

这一发现中最激动人心的部分是它还只是一个开始！LIGO如此轻松的检测到引力波的信号说明了它将会检测到更多的信号。同时我们不必久等。LIGO的探测器还没有达到事先计划的灵敏度，因此当它们达到此程度时检测会变得更加容易。

LIGO的成功也有助于其他类似的项目得到资金赞助。事实上印度总理已经表示支持印度LIGO。其他的支持包括日本的KAGRA,意大利的VIGRO以及德国已经正在运行的GEO600。同时使用多个探测器将进一步帮助确定引力波信号的来源。

LISA项目(即激光干涉仪太空天线)自2011年NASA退出以来经历了资金困境，并完全被欧洲机构接收，也会将引力波探测器送入太空。这即将开启检测更长时间段的信号（几分钟而不是几毫秒）的可能性。这是LIGO现在无法实现的。

引力波预计是由像2015年9月探测到的共轨黑洞产生的，但它也可能来源于二院系统中的中子星等其他相聚非常近的物体。但是从根本上引力波与我们熟知的电磁辐射根本不同。所以谁知道我们到底会发现什么呢？

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. quickanddirtytips-一本正经的猹- Sabrina Stierwalt

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