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引力波 圖片來自優酷

引力波，在物理學中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。換句話說，引力波是物質和能量的劇烈運動和變化所產生的一種物質波。 1916年，[[愛因斯坦]基於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，引力波不能夠存在於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。 各種各樣的引力波探測器正在建造或者運行當中，比如 advanced LIGO（aLIGO）從2015年9月份開始運行觀測。 可能的引力波探測源包括緻密雙星系統（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，已經首次探測到了來自於雙黑洞合併的引力波信號 。 2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波，並同時「看到」這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。 同年12月，入選「漢語盤點2017」活動年度候選字詞五大候選國際詞。

簡介

在愛因斯坦的廣義相對論中，引力被認為是時空彎曲的一種效應，這種彎曲是因為質量的存在而導致。通常而言，在一個給定的體積內，包含的質量越大，那麼在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率產生變化，並且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現象被稱之為引力波，也可以理解為：一個大質量天體產生的引力，影響一定範圍內比它質量小的天體，使它們產生負值的加速度，它們運動軌跡所形成的曲率變大，並且釋放能量的現象。根據開普勒定律推導出：物體運動的速度和它運動軌跡所形成的曲率成反比。 當一個引力波通過一個觀測者的時候，因為應變（strain）效應，觀測者就會發現時空被扭曲。當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少，這個頻率等於這個引力波的頻率。這種效應的強度與產生引力波源之間距離成反比。繞轉的雙中子星系統被預測，在當它們合併的時候，是一個非常強的引力波源，由於它們彼此靠近繞轉時所產生的巨大加速度。由於通常距離這些源非常遠，所以在地球上觀測時的效應非常小，形變效應小於1.0E-21。科學家們已經利用更為靈敏的探測器證實了引力波的存在。最為靈敏的探測是aLIGO，它的探測精度可以達到1.0E-22。更多的空間天文台（歐洲航天局的eLISA計劃，中國的中國科學院太極計劃，和中山大學的天琴計劃）正在籌劃當中。 引力波應該能夠穿透那些電磁波不能穿透的地方。所以猜測引力波能夠提供給地球上的觀測者有關遙遠宇宙中有關黑洞和其它奇異天體的信息。而這些天體不能夠為傳統的方式，比如光學望遠鏡和射電望遠鏡，所觀測到，所以引力波天文學將給我們有關宇宙運轉的新認識。尤其，引力波更為有趣的是，它能夠提供一種觀測極早期宇宙的方式，而這在傳統的天文學中是不可能做到的，因為在宇宙再合併之前，宇宙對於電磁輻射是不透明的。所以，對於引力波的精確測量能夠讓科學家們更為全面的驗證廣義相對論。

評價

中國主要有三個大型引力波探測項目，一個是由中科院胡文瑞院士和吳岳良院士作為首席科學家的太極計劃，它非常類似於歐洲eLISA計劃。另外一個太空計劃是由中山大學羅俊院士領銜的「天琴計劃」，相比較太極，它將位於地球之上的10萬公里軌道處，三個衛星的間距也是大約在10萬公里之上。第三個是由中科院高能物理研究所主導的「阿里實驗計劃」，阿里實驗計劃是在計劃在我國西藏的阿里地區放置一個小型但具有大視場的射電望遠鏡，從地面上欣賞原初引力波的彩虹。這些項目還處在預研階段。 這些探測都是利用激光干涉的方式。而我們的宇宙本身就已經「創造」出了一種探測工具 — 毫秒脈衝星，它們是大質量恆星發生超新星爆炸形成的高速旋轉的緻密天體。這些極其穩定的恆星是自然界中最精確的時鐘，像燈塔一樣每「滴答」一次就向地球掃過一組信號。引力波可以通過雖然非常細微，但還是能夠察覺到的時間漲落而探測到。這就是脈衝星計時（Pulsar Timing）的方法。中國正在建設的500米口徑望遠鏡，以及國際上正在建設的平方公里陣(SKA)射電望遠鏡，都將監測脈衝星，從而探測引力波的存在。 引力波有兩個非常重要而且比較獨特的性質。第一：不需要任何的物質存在於引力波源周圍。這時就不會有電磁輻射產生。第二：引力波能夠幾乎不受阻擋的穿過行進途中的天體。然而，比如，來自於遙遠恆星的光會被星際介質所遮擋，引力波能夠不受阻礙的穿過。這兩個特徵允許引力波攜帶有更多的之前從未被觀測過的天文現象信息。 從愛因斯坦在1916年預測出引力波，到2015年LIGO獲得直接觀測證據，整整跨越了一百年。在這一過程中，中國科學家也在不斷尋覓、追求。早在上世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究，可惜因種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院空間引力波探測工作組成立，引力波的中國研究再啟征程。 在過去的一個世紀，因為新的觀測宇宙的方法使用，天文學已經發生了改革性的變化。天文觀測最初使用可見光。400多年前，伽利略最早使用望遠鏡進行觀測。然而，可見光僅僅是電磁波譜上的一小部分，在遙遠的宇宙中，並非所有的天體會在這個特別的波段產生很強的輻射，比如，更有用的信息或許可以在射電波段得到。利用射電望遠鏡，天文學家們已經發現了脈衝星，類星體以及其他的一些極端天體現象，將我們對一些物理的認識推向了極限。利用伽馬射線，X射線，紫外，和紅外觀測，我們也取得了類似的進展，讓我們給天文帶來了新的認識。每一個電磁波譜的打開，都會為我們帶來前所未有的發現。天文學家們同樣期望引力波也是如此。

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什麼是引力波?

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