今天让我们一同踏上探索之旅，揭开 重力波 这一神秘现象的面纱。我们都能感受到重力的存在，但却无法直接看见它。这不代表重力是虚无的；相反，我们通过感受自身的重量来体验到重力的作用。同理，虽然重力波在我们的日常生活中几乎是不可察觉的，它们的影响却是切实存在的。
想象一下，如果重力波是一种我们能够直观观察到的宏大现象，那将是怎样的一番景象。在这样的情形中，当一个重力波穿越我们的身体，你可能会看到自己的身体被从上至下、从左至右挤压变形。
重力波不仅仅是一种科学现象，它们是探索宇宙深处，甚至是追溯到遥远过去的一扇窗户。自从我们发现了重力波，我们对宇宙的理解和探索已经步入了一个全新的阶段。在本文中，我将详细介绍这种独特的波动，带领我们一起深入了解它们的奥秘。现在，就让我们开始这段探索之旅吧。
什么是重力波？
简单来说， 重力波类似于由移动的巨大物体（如双星系统）在空间中产生的涟漪效应。 这一概念最早由奥利弗·海维赛德在1893年提出，并由亨利·庞加莱在1905年进一步发展。但真正使重力波成为物理学重要组成的，是阿尔伯特·爱因斯坦在1916年基于他的广义相对论提出的预测，他将其描述为时空中的涟漪。重力波携带能量移动，与光波类似，但与牛顿的万有引力定律有所不同，后者假设引力效应是瞬时的。
重力波存在的第一个间接证据出现在1974年，当时赫尔斯和泰勒观察到了一个双星系统的轨道衰减。这一发现与广义相对论的预测相吻合，即 双星系统通过重力辐射耗散能量。 这一重要发现使赫尔斯和泰勒在1993年荣获诺贝尔物理学奖。
直到2015年，我们才首次直接观测到重力波，这是由两个黑洞合并产生的。这一历史性事件被路易斯安那州和华盛顿州的LIGO探测器成功捕捉到。为了表彰在这一发现中所做的贡献，雷纳·魏斯、基普·索恩和巴里·巴里什于2017年被授予诺贝尔物理学奖。现在，重力波天文学通过分析这些波动，帮助我们深入了解双星系统、黑洞以及大爆炸后早期宇宙的诸多事件。
爱因斯坦的广义相对论
大质量物体周围的时空曲率受其质量和与质量中心距离的影响。
在爱因斯坦的广义相对论框架中，重力不再被视为一种神秘的远距作用力，而被解释为 质量存在导致的时空曲率 。在这个理论中，时空被视为一个四维结构，其中包含三个空间维度和一个时间维度。当一个区域内的质量越大，它对周围时空的弯曲也就越明显。而具有质量的物体在这样的曲率时空中的运动，特别是在加速过程中，会引起时空曲率的变化。这种变化以波状形式向外扩散，即我们所说的重力波，它们以光速传播。
当重力波经过观察者时，它们会略微扭曲时空，导致物体之间的距离随波的传播呈现出微小的、周期性的变化。这种效应的强度会随着距离波源的远近而减弱。例如，在两个中子星紧密旋转并最终合并的事件中，它们会产生强烈的重力波。这是因为在合并过程中，它们以极高的速度加速运动。然而，由于这类事件通常发生在遥远的宇宙深处，它们到达地球时的影响极其微弱，其变化幅度可能小于10²⁰分之一。
在广义相对论的视角下，我们将探测到的重力波理解为时空的涟漪。相对地，如果不考虑广义相对论，人们可能会错误地将这些波解释为双星系统轨道运动的直接结果。实际上，当双星系统的两个恒星围绕共同的质心旋转时，它们的运动会产生重力波，其频率是双星系统轨道频率的两倍。
追溯到过去
黑洞合并
重力波具有探索遥远宇宙奥秘的独特能力 ，它们能够到达电磁波无法触及的空间角落。这一特性使得我们能够观测到黑洞合并等极端宇宙事件，甚至可能探测到更多奇异的宇宙现象。与传统的光学或射电望远镜不同，这些设备无法捕捉到这类现象，因此重力波天文学成为了探索宇宙新领域的关键工具。
对于宇宙学家来说，重力波尤其引人注目，因为它们 提供了一种观测宇宙早期阶段的可能性 ，这在传统天文学中是不可实现的。特别是在宇宙的重组时期之前，由于宇宙对电磁辐射的不透明性，常规方法无法穿透这一「迷雾」。而重力波可以。此外，通过精确测量重力波，科学家还可以对广义相对论进行更深入的验证。
重力波的频率范围极为广泛，它们可能出现在从极低频到极高频的任何频段。例如，使用脉冲星计时阵列，科学家们可以检测到非常低频的重力波。脉冲星的信号就像极为精确的时钟，通过分析这些信号中由重力波引起的微小变化，我们能够了解诸如大质量黑洞合并这样的宇宙大事件。科学家们，如斯蒂芬·霍金和沃纳·以色列等，曾提出重力波的频率可能覆盖从极低到极高的广泛范围。
宇宙速度极限
引力波本质上是时空结构中的涟漪，以光速在各个方向穿越空间。
宇宙中存在一个速度极限，这就是光速，通常表示为「c」。光速不仅适用于光本身，而且也 是自然界中任何事物能够达到的最大速度 。这个速度值是恒定的，不会因为观察者的运动状态或者光源和重力源的移动而改变。
光速的这一特性是现代物理学的一个基本原则。它不仅适用于光，还适用于所有无质量的粒子和波动，例如重力波、胶子（负责传递强相互作用的粒子）以及光子（光和电磁辐射的基本粒子）。科学界还在探索一种理论粒子——引力子，这种粒子假设与重力的传播有关，但目前还没有直接观测到它们的存在。为了更好地理解引力子，我们需要一个能够将重力与量子物理结合起来的理论，但这样的理论目前尚未完全形成。
2017年8月的一个重大发现显著推进了这一研究领域。当时，LIGO和Virgo探测器在伽马射线卫星和光学望远镜几乎同时从同一方向探测到信号后，检测到了重力波信号。这一开创性的观测活动证实了重力波传播的速度与光速相一致，这一发现为理解宇宙中的这一速度极限提供了重要证据。
理解重力波的微小效应
干涉仪探测引力波的原理图
重力波持续不断地穿越地球，但由于它们的效应非常微小，尤其是当它们来自遥远的宇宙空间时，这些效应通常难以察觉。以GW150914事件为例，这一重大的天文事件产生的波穿越了约十亿光年的距离才抵达地球。当这些波到达时，它们引起了LIGO探测器中4公里长的臂产生微小的长度变化，这种变化的幅度仅为一个质子直径的千分之一。这种效应可以用一个生动的比喻来说明：它就像是太阳与其最近的恒星之间的遥远距离，发生了一根头发的宽度变化那么微小。为了探测到如此微小的变化，需要极其精密的科学仪器。
为了更好地理解重力波的效应，可以想象一个完全平坦的时空区域，其中静止的测试粒子排列在一个平面上，类似于计算机屏幕的表面。当一个重力波垂直于这个平面（即沿着观察者视线方向进入屏幕）传播时，这些粒子会以一种特定的「十字形」模式振荡，从而响应波的影响。重要的是要注意，在这个过程中，这些测试粒子形成的封闭区域的面积保持不变，且粒子不会沿着波的传播方向产生实际移动。
在上面的动画演示中，为了让大家更清楚，我夸大了重力波的效应。实际上，根据线性化重力理论，重力波引起的空间变化非常微小。不过，这种夸张的动画有助于展示重力波在两个物体相互绕行时的工作原理。
我们假设一个场景：如果有两个物体相互绕行，重力波的振幅保持不变，但它的振动模式会发生变化，可能以它们圆周运动的两倍速度旋转。这会导致重力波的振幅随时间增大和减小，正如动画中所示。如果物体的运动更接近椭圆形，那么重力波的振幅也会随时间变化，这种变化遵循爱因斯坦的四极矩公式。
重力波，像所有波一样，具有几个关键特征：首先是振幅，通常表示为「h」，它代表波的大小或波对空间的拉伸和挤压程度。在动画中，这个振幅可能在视觉上被夸大，但实际通过地球的重力波非常微弱，其振幅大约是10⁻²⁰的微小数值。
接着是波速，表示波上某一点（如振幅的最大值或最小值）的移动速度。对于振幅小的重力波，这个速度与光速相符。频率，用「f」表示，是指波的振荡或摆动频率，而波长，用「λ」表示，是指波上两个振幅最大点（或最小点）之间的距离。
波速、波长和频率之间的关系可以通过等式 c = λf 来描述，这与控制光波的等式相似。例如，如果在动画中描绘的重力波是每两秒振荡一次，则频率为0.5 Hz，波长大约为600,000公里，这约是地球直径的47倍。
重力波产生的动力学
两颗中子星碰撞的模拟动画
重力波的产生与物体的加速度变化以及运动的对称性密切相关 。具体来说，只有当物体的运动不具有完美的对称性时，它们在加速或其加速度发生变化时才会产生重力波。例如，一个绕其中心轴自转的哑铃形物体不会产生重力波，因为其运动具有对称性。然而，如果这个哑铃以头尾翻滚的方式运动，类似于两个行星绕共同质心的轨道运动，就会产生重力波。重力波的振幅会随着翻滚物体的质量和速度的增加而增大，例如快速旋转的大质量恒星就是这种情况的一个极端例子。
在日常情况下，物体的相互绕行、行星的不对称旋转，或者超新星的爆炸（除非是完全对称的）都会产生重力波。相反，不自旋的物体的稳定直线运动或圆盘的均匀旋转并不产生重力波，这是由动量守恒原理决定的。此外，仅仅大小发生变化的脉动球形恒星也不会发出重力波，这符合伯克霍夫定理。从技术角度来讲，产生重力波需要四极矩随时间发生非零变化，这与产生电磁辐射所需的变化偶极矩相似。
能量、动量和角动量
重力波能够从其源头传播能量、动量和角动量 ，其功能与水波、声波和电磁波类似。例如，在双星系统中，两个旋转的物体在靠近时会损失角动量，重力波便通过辐射将这部分角动量带走。
此外， 重力波也能携带线性动量 ，这在天体物理学中具有深远的含义。例如，在两个超大质量黑洞合并的过程中，由重力波带走的线性动量，可能导致合并后的黑洞经历显著的「踢出」效应，其速度可能高达4000公里/秒。这种力量足以将黑洞从其宿主星系中脱离出去。即便这种「踢出」的力量不足以将黑洞完全脱离开，也可能导致黑洞暂时偏离星系中心，产生摆动，最终重新稳定下来。被踢出的黑洞可能带动周围的星团，形成一个超紧凑的恒星系统，或者携带气体，使反冲黑洞暂时表现为裸露的类星体。
与光波类似，重力波的长度和频率会因源头和观察者之间的相对运动（多普勒效应）而发生改变。这种变化也受到时空扭曲的影响，例如宇宙膨胀，尽管重力波本身也是由重力引起的时空扭曲。重要的是， 重力波的这种颜色或红移的变化与因重力引起的红移（即重力红移）是不同的。
在广义相对论的框架中，太阳和行星会导致时空弯曲或扭曲而这一理论的标准量化形式涉及无质量引力子传递引力
在量子场论中，引力子被理论上认为是重力的载体 ，但目前还没有直接证据证实它们的存在。科学家们仍在努力将广义相对论（解释重力）与标准模型（描述其他基本力）相结合，但目前尚未成功。尽管有如量子重力等尝试来弥合这一差距，这些理论还没能被广泛接受。
如果引力子确实存在，科学家估计它们是没有质量的（因为重力似乎具有无限的作用范围），且是自旋为2的玻色子。任何无质量的自旋为2的场都将产生与重力相同的作用力，因为它们与应力-能量张量以与重力场相同的方式相互作用。因此，发现无质量的自旋为2的粒子可能意味着找到了引力子，这将是量子理论与重力结合的重大突破。
由于重力与物质的相互作用较弱，重力波即使在穿越宇宙的长距离后也几乎不会被吸收或散射。不同于光和其他电磁辐射，重力波不太可能受到早期宇宙不透明性的影响。在宇宙的早期阶段，空间尚未变得「透明」，所以使用光和射电波观测那个时期的宇宙是受限的，或根本不可能。因此，重力波有可能提供关于早期宇宙的宝贵观测信息，这是其他方法无法提供的。
直接探测重力波极具挑战性，对单个探测器来说确定信号来源的位置也很困难。这就是使用多个探测器的原因。通过部署多个探测器，可以确保信号不仅仅是地球上的干扰，并且可以使用一种称为三角测量的方法来确定波的来源方向。这种方法的工作原理是这样的：由于重力波以光速传播，它们会在不同的探测器上在不同时间到达。即使这些时间差只有几毫秒，我们也能利用这些信息精确地确定波源的方向。在GW170814事件中，三个探测器同时工作，大大提高了确定方向的准确性。这三个探测器都探测到了该事件，使我们能够比以前更准确20倍地确定源头的位置。
微波观测和宇宙起源
利用分布在银河系中的脉冲星测量引力波背景的图像
在过去一百年间，随着新观测方法的引入，天文学经历了巨大的变革。一开始，天文学家依赖于可见光观测，这一方法最早由伽利略·伽利雷使用望远镜开创。然而，可见光只占电磁谱的一小部分，并非所有遥远宇宙中的物体都能在这个频段内发出明亮的光。利用不同的波长，如射电波，能揭示出更多的细节。通过射电望远镜，天文学家已经发现了诸如脉冲星和类星体等现象。
利用微波波段进行观测甚至允许我们探测到大爆炸留下的微弱痕迹 ，这一发现被斯蒂芬·霍金誉为「至少是本世纪最伟大的发现」伽马射线、X射线、紫外线和红外线观测的进展，为天文学带来了新的见解。每探索光谱的一个新区域，都会带来以前不可能的独特发现。天文学界对重力波持有类似的乐观态度，相信它们将揭示宇宙的新秘密。
重力波具有两个重要且独特的特性。首先，它们不依赖于附近的物质就能产生。例如，一个由不带电的黑洞组成的双星系统可以发射重力波，而不会发出任何电磁辐射。其次，重力波几乎不受任何物质的显著散射影响。不同于光波可能被星际尘埃阻挡，重力波几乎无碍地穿过各种物质。这使重力波成为了研究以前未被人类见过的天体事件的宝贵工具。
此前，我们讨论了来自低频源的重力波。而在光谱的另一端，存在高频波。这些可能是大爆炸的遗留物，甚至有可能在实验室中产生。一个有趣的假设是，由哈勃太空望远镜观测到的在碰撞星系中合并的超大质量黑洞，可能由于重力波的影响而被弹射出去。
小编对重力波的发现感到非常兴奋，因为它们为我们理解宇宙开辟了一个全新的视野。这一开创性的发现预示着物理学中一个全新的研究领域的诞生。有了这个强大的工具，我相信科学家能够解开宇宙中一些最深奥的谜团。
