如何檢驗引力理論（六）_風聞

為了瞭解引力波如何檢驗引力理論，我們首先要知道引力波的一些性質。（下面一段中出現的科學名詞都會在正文中詳細解釋）

首先，引力波是橫波，而且一般是柱面波；它來自四極輻射，而非電磁波的二級輻射所以非常弱；其傳播速度十分接近光速，並且至少有兩個偏振模式；與機械波不同，它的不需要傳播介質；顯然，牛頓引力等瞬時引力理論不存在引力波，而時空曲率的振動在時空中傳播即為引力波。

07     引力波與引力理論的檢驗

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全球一起行動捕獲引力波與其電磁對應體

目前，引力波檢驗引力理論時候，取得成績最輝煌的方法，就是引力波的傳播速度。

限制引力波傳播速度的的方法主要就是靠引力波和電磁對應體，通過對比電磁波、引力波到達時間差來估算引力波的速度。如果沒有電磁對應體的話，顯然精度不足；如果恰好遇到引力波、電磁對應體和引力透鏡同時出現，那麼就可以大幅度減小誤差，但是這種機會可遇不可求。

事實上，和引力波傳播速度息息相關的一個物理概念，就是引力子。引力子是一種基本粒子，就像光子電子那樣的基本粒子，只不過到現在人類並未觀測到引力子。但是如果引力子沒有質量，那麼引力波必定是以光速傳播。反之，引力波就會和光速有所偏差，比光速略小一些。

幾次引力波信號的對比

2017年，科學家們對GW170817 與其電磁對應 體GRB170817A的觀測表明，引力波傳播速度和光速的誤差，在10^-15之內。可以説，這個數據已經把引力波的傳播速度限制到很低了。這樣，一系列帶有自由參數的修改引力理論紛紛得到的限制，有一些限制得特別嚴格，有一些前後矛盾或者“病入膏肓”，直接被淘汰。

引力波示意圖

當然，引力波信號還會告訴我們很多事情，例如時空的維數，緻密星體最大質量，黑洞的許多相關性質等。這些也可以間接檢驗引力理論。

另一方面，利用引力波的波形，亦可對引力理論進行檢驗，但屬於數值相對論的工作。目前，這方面，尤其是修改引力理論的波形的研究仍然較少。好在，LIGO的數據分析團隊有專門的分析模板，因此可以開展流水線工作。

悠久

引力波的另一個重要的性質就是偏振。

那麼，什麼是偏振呢？我們之前提到了，引力波是橫波。所謂橫波，指的就是是質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，縱波恰好相反。我們在高中物理時候處理的幾乎都是橫波，因為橫波相對應縱波而言，要好理解得多，尤其是便於畫圖理解。而生活中，電磁波等都是橫波，而聲波則是縱波。

而偏振是專門針對橫波的，縱波並沒有偏振現象。所謂偏振，值得就是橫波的垂直於波的傳播方向，偏向於某個方向的現象。

我們之前提到過，引力波是一種度規波，這意味着它擁有比電磁波更多更豐富的偏振模式。理論上講，引力波可以有6種偏振模式，但是這是雙臂引力波探測器所難以探測的。目前我們只能肯定引力波有兩個方向的偏振，但是並不知道到底有沒有剩下4種。若想探測到額外的那幾種，我們必須要用更多臂的引力波探測器，這無疑會大大增加工程難度。現有的幾個探測器都是雙臂探測器。

引力波的偏振示意圖

事實上，我們還可以把引力波源按照頻率分類：

高頻（10赫茲到10^4赫茲）；

低頻（10^-4赫茲到10^-1赫茲）

甚低頻（10^-9赫茲到10^-7赫茲）；

極低頻（小於10^-14赫茲）。

每一類引力波源對應的天體是不同的。不同來源的引力波組成的引力波背景亦可檢驗引力理論。

引力波光譜

未來的引力波宇宙學還可以觀測或限制各類引力波源，例如宇宙原初引力波、宇宙早期相變產生的引力波、宇宙弦產生的引力波等。亦可通過宇宙微波背景輻射的極化觀測來探測極低頻的宇宙原初引力波。

目前所有的引力波事件都發生在宇宙學尺度上，未來甚至能夠探測更高紅移的引力波事件，因此，引力波可以作為宇宙探針來研究宇宙學。其中，引力波的一個重要的應用就是作為宇宙標準汽笛，以此來確定各種宇宙參數。此外，作為標準汽笛的引力波還可以區分暗能量和修改引力、限制宇宙中中微子的質量等。

此外，它亦可替代中子干涉術中的磁場，但是這個實驗的難度相當高。

引力波的未來

引力波探測實驗是大工程，需要各行各業的頂尖人才齊心協力，包括物理、計算機、電子、儀器、測控、工程等方方面面的高級人才。可以説，引力波探測實驗，帶來的不僅僅是探測本身。

未完待續

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