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。在1916年[1],愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果,因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下,引力波不能夠存在于牛頓的經典引力理論當中,因為牛頓的經典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。
引力波對人類未來有什么影響?
1.理論上,促進了人類對宇宙認知革命。
引力波為我們打開了除電磁輻射(光學、紅外、射電、X 射線等)、粒子(中微子、宇宙線)之外,一個全新的窗口——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中,我們不再是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑借——我們感受的,是時空本身的顫動!
2.確定了黑洞的存在。
此前,人類將觀測到的海量的天體物理現象,用黑洞的存在予以完美解釋,但這并不是確定黑洞存在的證據。直到LIGO團隊雙黑洞并合產生的引力波的發現,給出了黑洞確實存在的空前牢靠的證據。
3.加深了人類對時空彎曲、時間旅行的理解。
人類對時間旅行的猜測,是基于“宇宙弦理論”,而引力波則被認為是宇宙弦釋放能量的主要機制。
什么是宇宙弦?有理論認為,宇宙早期相變過程中,可能產生極細卻具有宇宙學尺度的長度的“宇宙弦”。這些宇宙弦就像耳機線,總有一天會自己打成結。當它們打結時,結點會發生斷裂,并以引力波的形式釋放出能量。而時空旅行,就是宇宙弦打結能夠產生封閉類時間曲線———這樣或許就可以實現時間旅行。
4.有助于人類研究恒星爆炸原理
大質量恒星生命終點的時候,可能在一場劇烈的超新星爆炸之后塌縮為黑洞或中子星。但我們現在還不知道,超新星具體是如何點燃的。監聽超新星爆炸時的引力波波形,與電磁波段的觀測進行對比,可以給我們提供檢驗現有模型的更多依據。
5.有助于人類探測宇宙的膨脹速度
以前,人類測量宇宙膨脹速度,只有一種標準——Ia 型超新星作為“標準燭光”。如今,引力波為我們提供一個獨立的“標準燭光”。
通過測量引力波事件的強度,我們能推算出引力波源的距離。如果我們能在電磁波段上找到引力波源所在的星系,就能比較該星系的紅移與引力波源距離之間的關系——這樣我們就又多了一種測量宇宙膨脹速度的方法。
6.同時,引力波的證實也給科學界帶來了新的探索任務:引力波是否是以光速傳播?
有波就有對應的粒子。引力波對應假想的引力子。如果引力子像光子一樣,沒有質量,那也應該以光速傳播,這是經典的廣義相對論的預言。但是也有人表示,如果引力子有一點質量,也許有助于解釋宇宙加速膨脹。而如果引力子有質量的話,它就會以低于光速前進。這樣如果我們能分別觀測到一次高能事件產生的電磁輻射和引力波,看看它們到達地球有沒有時間差,就能知道引力波是否在光子之后抵達地球,也就是引力波是否以光速傳播。若是,則再次捍衛愛因斯坦的理論;若不是,則又是一個動搖了物理大廈基礎的重要發現。