引力波是爱因斯坦的广义相对论所预言的一种时空自身的波动。原则上说,任何有质量的物体运动上去都能形成引力波。但引力波太微弱了,通常来说只有当像两个黑洞翻车这样暴烈的风波发生时,其引力波能够被我们侦测到。并且,因为这类风波的发生地点距离我们太遥远,引力波传到月球早已十分微弱,所以侦测引力波须要高度灵敏的仪器。
不过,这已难不倒我们。自2016年首次侦测到引力波以来,现在侦测引力波对于我们早已是家常便饭,几乎每周都能侦测到一次,因而单纯侦测引力波早已没有哪些新意。
与此同时,广义相对论还预言了两个更微弱的引力波效应,其中一个甚至还暗示,引力波或许可拿来找寻暗物质。所以,侦测这两个引力波效应才是新鲜事。
时空会“记住”引力波
其中一个叫引力波的记忆效应。这是哪些意思呢?我们稍加说明一下。
我们晓得,引力波是一种波动,所以它跟水波、声波、电磁波一样,都有着波的一切特征,例如要有震动源、有周期性等。但引力波又不同于其他的波,它是时空自身的波动,所以它有自身的特性。当水波传过一块水域以后,这块水域会恢复到之前的状态。而且,引力波传过一个地方以后,将会永久地改变这个地方的时空结构。这就是所谓的“记忆效应”。
以侦测引力波的激光干涉仪引力波侦测器(LIGO)为例。LIGO有两条互相垂直且等长的臂L1和L2。你可以将它们想像成是一个圆的两条互相垂直的直径,圆心坐落手臂的交汇处。当引力波传来时,将周期性地扭曲这个圆:一会儿垂直方向被拉长,水平方向受挤压;一会儿水平方向被拉长,垂直方向受挤压;这么等等。于是,在引力波通过期间,四肢的厚度差将会来回变化。这个变化会被LIGO侦测到,进而证明有引力波通过。而且,等引力波过去以后,L1和L2不再恢复到等长,而是会有微小的厚度差其实 物理学家探测引力波的尝试,具体差多少取决于引力波的最后一次振荡。这就是引力波的记忆效应。
虽然,当引力波通过以后,不只是LIGO的两条臂长会有微小的差异,因为引力波是一场巨大的波在宇宙中的漫延,因而通过月球时,每位人的身体就会发生永久的轻微变型。
侦测引力波的记忆效应
很遗憾,这些效应是非常微弱的。以LIGO首次侦测到的引力波为例。该引力波来自近13亿光年外,可能涉及两个黑洞以接近光速翻车。在几分之1秒内,黑洞翻车将相当于三倍太阳的质量转化为引力波的能量,其最大输出功率大概是整个可见宇宙输出功率(宇宙所有星球在1秒内幅射的总能量)的50倍。但虽然是这样,这种引力波也仅造成LIGO两条4千米的臂,宽度振荡了大概一个质子半径的千分之一。而在这个风波中,预计引力波记忆效应只有引力波幅度的二非常之一。换句话说,只改变LIGO的4千米长臂大概一个质子半径的二万分之一。
以LIGO目前的灵敏度还不足以侦测一个黑洞碰撞风波所形成的引力波记忆效应。不过,天体化学学家想出一个变通的办法:假如多个黑洞碰撞风波的引力波记忆效应互相叠加,其实能让它显得容易侦测。她们恐怕,只要积累1000个引力波风波就够了。而依照目前侦测引力波的速率,这个目标未来几年内就能否实现。
另一种办法是用原子钟。引力波记忆效应将永久地改变个别地方的时空结构,按照广义相对论,弯曲程度不同的空间,时间流逝的快慢也不一样。因而,把两个事先校对好严格同步的原子钟分别移到空间两处,因为引力波记忆效应,这两处空间的弯曲程度不同,所以一个钟显示的时间其实会比另一个钟的慢。读数的细微差异有可能阐明引力波的记忆效应。
引力波的延后效应
不仅记忆效应,引力波还有延后效应。
我们都晓得,当光穿过透明介质时,速率会放慢。如果两条光线A和B从同一地点同时出发,A仍然在真空中传播,B则中途穿过一个透明的物体,当它们在某个终点聚首时,即便B比A要有一个延后,延后时间跟透明介质的性质有关。
引力波也一样。当引力波碰到一个有质量的天体时,它也会速率变慢,抵达我们的侦测器会有一个延后,延后时间则跟天体的密度、厚度等性质有关。这叫引力波的延后效应。
不过,同样遗憾的是,这些效应也是十分微弱的。以目前LIGO的灵敏度,还很难侦测。
虽然这么,如果引力波的延后效应真实存在,那是令人激动的。正如X射线由于可以穿透人体的个别组织,所以利用它能让我们窥见人体的骨骼结构一样。因为引力波穿透不同密度的天体时会有微弱的变化,它似乎能为我们提供一个机会,一窥中子星或其他古怪的宇宙天体的内部结构。
尤其是,假如暗物质(一种被觉得占宇宙全部质量约80%的神秘物质)以大质量天体的方式存在,这些方式甚至可以帮助天文学家侦测其性质。而我们晓得,因为暗物质与普通物质没有电磁作用,所以所有基于电磁波工作的望远镜对它都无可怎奈。
目前,理论科学家正与实验科学家合作,企图弄清怎样才能辨识引力波的延后效应,以及它能告诉我们什么有用的信息。
你瞧,发觉引力波仅仅是第一步,这个领域其实 物理学家探测引力波的尝试,还有很多事情要做。
