如何直观地说明引力波是什么?
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发布时间：2022-04-23 16:13
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时间：2022-05-21 16:34
一个世纪前，爱因斯坦对于时间和空间的洞见，彻底改变了我们对宇宙的认知。他对引力波、时空弯曲、时间膨胀和黑洞的预测令人兴奋。
爱因斯坦认为，质量在四维时空中施加了影响。在大质量物体（如太阳或黑洞）影响下时空会发生弯曲。著名的引力场方程用数学语言的表达是，等号左边部分揭示了时空弯曲，右边部分描述了物质的分布。物理学家惠勒（John Archibald Wheeler）解释为：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。而引力波就是时空弯曲的传递现象。
一、引力波是如何被提出来的？
爱因斯坦设想，引力源自空间弯曲。当受到引力作用的物体改变自己的形状时，它们会在空间中激起涟漪。当这些涟漪经过地球时，我们的局部空间就会随之发生波状“抖动”：被拉伸或挤压。但这种效应非常微弱，原因是引力是一个弱作用力。
日常生活中的引力拉伸程度很微小，如果我们看到两辆汽车相向擦肩而过，也会发射出引力波，但仅具有无穷小的能量。即使是地球绕太阳的运动，或者是两个恒星的相互绕转，它们所发出的引力波都达不到可探测的水平。
1916年6月，爱因斯坦向柏林普鲁士皇家科学院（Prussian Academy of Sciences）提交了一篇里程碑式的论文《引力场方程的近似积分》，是科学史上第一篇预言引力波的著作。
爱因斯坦理论认为，引力波波源的不同就会有不同的频率和振幅。例如两个非常靠近彼此绕转的黑洞，每秒完成100圈，它们发出的引力波频率是200Hz。对于远离黑洞的观察者而言，每秒有200个波峰经过。由于引力波以光速传递，对应的波长就是1500公里。
引力波的振幅是它强度的量度，是时空被拉伸和压缩的程度。振幅大小与观察者至双黑洞的距离成反比，与黑洞的质量和相互绕转的加速度成正比。如果两个黑洞螺旋式相互靠近，引力波的振幅和频率会同时增大。
当时许多科学家并不关注，认为引力波即使存在也微弱到难以探测。天文学家爱丁顿（Arthur Eddington）认为，引力波只是广义相对论的一个数学上的奇异解，不具有物理意义。
1955年爱因斯坦去世后不久，学界的观点开始有了转变，特别是理论物理学家皮拉尼（Felix Pirani）等人证明引力波携带能量之后。引力波从此进入真实物理现象的范畴，余下的问题便是“捕捉”它们。
应当说明，引力波是“空间密度”涟漪的三维传播，即在空间所有方向上传播，只不过在某个方向上可能比其它方向更强。任何天体对引力波的传递都是透明无阻碍的。
将引力波形象化的直观方法是：引力波的空间密度涟漪，与穿过一块轻轻抖动的果冻极为相似，这里果冻代表空白空间。
二、引力波又如何被探测和证实？
2016年2月11日，美国引力波天文台在华盛顿特区的新闻发布会上宣布，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）探测器“捕捉”到了引力波。该引力波来自距我们13亿光年的两个黑洞的碰撞，并被命名为GW150914。LIGO是加州理工学院理论物理教授索恩（Kip Thorne）和他的同事物理学家韦斯（Rainer Weiss）、德雷佛（Ronald Drever）的智慧结晶。
LIGO项目有两台大约相距3000公里远的相似的探测器，一台在华盛顿州的Hanford，另一台位于路易斯安那州的Livingston。它们有极高的灵敏度，时间的测量精度为10^-18秒。
被LIGO探测到的首个引力波信号，来自遥远的双黑洞事件。这列波在太空以光速前行，大约在10万年前闯入我们的星系，一边在银河系中朝地球而来，一边向恒星和行星发射微小的信号。
2015年9月14日，世界时间09:50:45，首个引力波到达地球，在不到1秒的时间里，地球被这列时空涟漪拉伸和压缩了10^21分之一，大小只有一个质子直径的万分之一。地球上的一切也随之伸展和收缩。LIGO探测器记录下了这次微小的振动。很快，一切又恢复平静。引力波继续向更远处前行，1.3秒后它经过了月球轨道，几小时内它就离开太阳系，继续扭曲着它前行途中的一切。
这个名叫GW150914的引力波振幅与时间关系图显示，其信号的真实测量值与基于质量分别为36个和29个太阳质量的双黑洞合并的理论“预测”值几乎完美吻合。这听起来像魔法，但却是严谨的科学。
LlGO组织解释说，随着双黑洞的靠近，相互绕转速度加快，强大的加速度使引力波振幅增大，轨道周期变短意味着频率变高。最终两个黑洞以极高速度瞬间合并为一个更大的黑洞，大约为太阳质量的62倍，其余3倍太阳质量被转化为时空曲率的能量（E=mc^2），以巨大的引力暴的形式被发射出去。
黑洞使得周围时空弯曲，时空曲率代表了一定的能量。按广义相对论，能量等价于质量，因此能量产生了额外的弯曲。
此后，又有多个引力波被记录下来。例如，第二个引力波信号GW151226，其波形与两个分别为14.2倍和7.5倍太阳质量的黑洞合并的预期理论波形契合，它源自距地球14亿光年之遥的双黑洞合并事件。
今天，新一代更强大的引力波探测器aLIGO已经在测试运行中。以“室女座星系团”命名的意大利Virgo探测器已加入了LIGO-Virgo联合系统。
欧航局的LISA开路者号已发射升空，计划在太空探测引力波，它更像是LIGO的空间版本。日本国立天文台的KAGRA神冈引力波探测器在今年与LIGO-Virgo合作探索，欧洲万有引力天文台的GEO600也已加入其中。印度的“LIGO-印度”探测器计划在2024年投入运行。
中国科学院也制订了名为“空间太极”的空基探测计划，将在2030年前后发射引力波卫星组，拟进行太空引力波直接探测。这标志着我国的天文学研究达到了新的高度。
