看清引力波的“旋轉” 需要更靈敏的“眼睛”

天聞頻道

本報記者 劉園園

2015年，科學家利用激光干涉儀首次直接探測到引力波。自那以後，已經有越來越多的引力波事件被探測到。

但是，人類對引力波的理解可能才剛剛開始。引力波所具備的很多特徵都有待人們的挖掘。

近日，武漢大學物理科學與技術學院侯紹齊博士、範錫龍教授和朱宗宏教授在《物理評論D》上共同發表了一篇關於引力波的論文。他們研究認為，引力波的透鏡效應會引起引力波偏振面的轉動和法拉第旋轉。而且，原則上這些效應可以被激光干涉儀探測到。

引力波會旋轉？這是怎麼回事呢？

引力波就“在”你手上

“引力波和光有着諸多相似性。”論文第一作者侯紹齊介紹，在真空中，引力波和光都以每秒30萬公里的速度傳播，它們都沒有質量；光波是帶有時空週期性的電磁場，而引力波則是時空週期性分佈的引力場；光波是一種橫波，引力波也是一種橫波。

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，並預言光線在星體附近會發生偏折，即引力透鏡效應。這一現象於1919年被其他科學家探測到，成為支持廣義相對論的有力證據。

“由於引力波和光都是波，他們應該具有相似性，我們可以根據廣義相對論推測，大質量天體附近的光線偏折現象，也會發生在引力波上。”範錫龍説。

此次研究預測，引力波在大質量星體附近不僅僅會發生傳播方向的改變，隨之而來的還有偏振面的轉動和法拉第旋轉效應。

為了讓大家更好地理解引力波偏振面的轉動和法拉第旋轉，範錫龍教授想出一個簡單的方法——用我們的手指來幫忙。

伸出你的右手，讓右手的拇指、食指、中指這三個手指相互垂直。用中指的指向代表引力波的傳播方向，那麼拇指和食指所在平面就代表所謂的引力波偏振面，也就是引力波在這個面內的振動。

然後，可以嘗試改變中指的指向，同時依然保持三個手指的相互垂直關係。這時候你便會發現，隨着中指指向的改變，拇指和食指所在的平面也跟着改變。如果引力波也發生類似的變化，就把它稱之為引力波偏振面的轉動。

法拉第旋轉則是另一種效應。為了形象地理解法拉第旋轉效應，三個手指依然可以派上用場。

這一次，你需要保持中指的指向，而改變拇指和食指的指向。在這種情況下，雖然拇指和食指的指向發生了變化，它們仍然在原來的平面內轉動。類似的現象如果發生在引力波上，我們就把它叫作引力波法拉第旋轉效應。

微小變化有待未來“捕捉”

“原則上，這兩種效應都可以被激光干涉儀探測到。不過，並非現在。” 侯紹齊説。

侯紹齊介紹，激光干涉儀對引力波的測量數據與引力波相對於干涉儀的傳播方向有關，也跟是否發生法拉第旋轉有關。當引力波經過大質量星體之後，其偏振面發生轉動並伴有法拉第旋轉效應。這些變化導致激光干涉儀得到的數據隨之變化，從而可以利用干涉儀探測這兩種效應是否發生。

但是，由於在引力波透鏡效應中，引力波的傳播方向僅發生了非常微小的變化，所以其偏振面轉動而引起的激光干涉儀的響應微乎其微，目前還無法測量得到。相比之下，法拉第旋轉效應更加微弱，現有條件下也很難測量得到。

“當然，這並不意味着，以後也無法探測到。” 範錫龍告訴科技日報記者，在今後10年到20年內，世界範圍內會建立多個基於地面的引力波探測器，太空中可能也會出現多個空間引力波探測器。這些探測器的靈敏度更高，從而有可能在未來探測到引力波的偏振面轉動和法拉第旋轉效應。

那麼，探測到引力波偏振面的轉動和法拉第旋轉效應，對於引力波研究而言又有何意義？

範錫龍回答説，對引力波偏振面可以發生轉動的預測，主要基於愛因斯坦的廣義相對論預言，因此探測到引力波偏振面的轉動可以更加全面地檢驗廣義相對論，是對引力波性質的全方位的認識。

另外，探測到引力波的法拉第旋轉效應，可以使我們瞭解引力波物理的豐富性，加深對時空本質的理解，並預示引力波可能還有更多奇特的性質尚未發現。