引力波是什么

　　在物理學中，引力波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。

　　引力波的主要性質是：它是橫波，在遠源處為平面波；有兩個獨立的偏振態；攜帶能量；在真空中以光速傳播。

　　雙星體系公轉、中子星自轉、超新星爆發，及理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程，都能輻射較強的引力波。

　　如何確定引力波的來源和方向

　　對于一個瞬時信號源的定位包括兩方面問題：一是方向，二是距離。

　　LIGO本身是相互垂直的兩條光路，所以對于信號方向測定有一定的幫助，但還遠遠不夠。重力波信號源的測定更多是基于LIGO的兩個探測站，相距2000英里左右，成為了一個三角定位問題。實際測量時，兩個站收到信號的時間相差了6.9毫秒，差不多是光速跑2000英里所需的時間，也證實了引力波是以光速傳播的。

　　當然，由于信號源距離地球非常的遙遠，所以在地球上相距2000英里的兩個探測器之間這點些微的差距很難精確定位信號源。就好比我們的兩只眼睛可以根據視差輕易分辨房間里兩樣東西的遠近，但很難分辨幾百米外兩樣東西的遠近（前提是你不知道那兩樣東西的尺寸），因為在遙遠的距離上視差已經非常小了。

　　實際上，這次定位的方向精度只有600平方度，也就是天空中橫豎各25度左右的天域。這在天文研究來講已經是非常非常非常之大的誤差了。

　　至于信號源的距離，主要是靠紅移來測量的。因為黑洞合并事件引發的引力波信號特征（包括頻率、相位、潮汐效應、末尾鈴蕩的波形等）中，有些帶有黑洞絕對質量的信息，以之進行修正，參比直接從波形獲得的黑洞紅移質量，就能算出紅移系數。這次引力波信號的紅移為0.09（+0.03 -0.04），對應13億光年。但看它的誤差范圍就知道，超過了正負三分之一，也就是正負4到5億光年左右，很難說是精準的。

　　要精確定位，有兩條路：一是有距離更遠的探測器或多個探測器加入進來，共同校準。這次地球上唯一另外一個引力波探測器GEO600當時不在測量模式，所以沒法提供幫助。試想，如果我們可以在泰坦上建一個引力波探測器，那么對信號源的定位精度將會有數量級的提高。

　　第二個方法是加入別的探測手段。因為黑洞合并是個高能事件，會伴隨可見光，伽馬射線爆等多種物理現象。如果能夠結合其他探測手段的探測結果，就能真正做到精確定位。

　　引力波靠什么傳播的

　　我們可以把空間視為某種可以扭曲、振動的彈性介質，因此它可以傳播波。自1916年起，愛因斯坦就開始嘗試證明他的廣義相對論方程包含一個解，這個解能夠表征引力波的傳播。然而，廣義相對論的數學之美與其方程的復雜性不分伯仲。這些方程的一個特點就是它們是非線性的。所謂的非線性，指的是一個系統產生的反應與它所受的刺激并不成正比。

　　正如面對這種問題時研究者常做的那樣，愛因斯坦決定先考慮簡化后的情況。他把引力波視為對初始的“平坦”時空的微調——即攝動。如預料的一樣，他計算出了幾種不同類型的引力場振動，而它們均以光速傳播。但是他很快就開始懷疑，這些解在物理上是否真實存在。

　　一個疑點與引力波的雙重性質有關：引力波既是幾何學的，是空（時）間的波動；也是物理學的，是引力場的特征。因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應該能夠和一些物理量聯系在一起，比如速度、輻射功率等等。在愛因斯坦解出的6種引力波里（用現代物理術語來講就是6種偏振模式），只有兩種既能傳遞能量又以光速傳播。這些波也是橫波，如同電磁波一樣，也就是說它們只在與傳播方向垂直的平面上振動。與此相反，聲波是縱波，會在傳播的方向上壓縮空氣。

　　而愛因斯坦得到的其他4個偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機的。實際上這是個在當時未能被理解的數學問題，問題出在了坐標系的選擇上。

　　事實上，相對性原理規定，物理量的值并不隨坐標系的選取而發生變化。愛因斯坦選擇的坐標系并不完美，用它算出的偏振模式在廣義相對論的框架下不是真實存在的。但是，現在研究其他引力理論的物理學家發現，這些偏振解中的某幾個具有物理意義。如果能觀測到這些偏振模式的話，將有劃時代的意義，這能讓我們測試超越廣義相對論的物理理論。

　　令人琢磨不透的坐標系性質，加上方程的非線性，不僅讓涉及廣義相對論的物理問題計算起來極為困難，還讓結果難以理解。這就是物理學家在20世紀60年代以前都未能理解黑洞視界的原因。1936年左右，愛因斯坦也一度相信自己和納森·羅森（Nathan Rosen，愛因斯坦在普林斯頓高等研究院的助手）證明了引力波并不存在。而這個結論與愛因斯坦先前的工作是完全矛盾的。

　　引力波輸送的能量以及它與物質系統的相互作用，這些問題看似容易，但實際上非常復雜，以至于物理學家一直在研究這些問題，經過了幾十年才能得出初步結論。

　　引力波傳播需要介質嗎

　　所有的機械波都不能在真空中傳播，必須依賴介質，而所有的場波則都可以在真空中傳播，除了電磁波以外，還有引力波。

　　聲音是一種機械波，機械波的傳播需要介質。電磁波或引力波傳播不需要介質，因為傳播的擾動不是介質的移動而是場。力波被LIGO轉化為聲音片段。

　　自1916年起，愛因斯坦就開始嘗試證明他的廣義相對論方程包含一個解，這個解能夠表征引力波的傳播。然而，廣義相對論的數學之美與其方程的復雜性不分伯仲。這些方程的一個特點就是它們是非線性的。所謂的非線性，指的是一個系統產生的反應與它所受的刺激并不成正比。

　　正如面對這種問題時研究者常做的那樣，愛因斯坦決定先考慮簡化后的情況。他把引力波視為對初始的“平坦”時空的微調一一即攝動。如預料的一樣，他計算出了幾種不同類型的引力場振動，而它們均以光速傳播。一個疑點與引力波的雙重性質有關：引力波既是幾何學的，是空（時）間的波動;也是物理學的，是引力場的特征。

　　因此，作為一種自然界中存在的波，引力波的振幅應該能夠和一些物理量聯系在一起，比如速度、輻射功率等等。在愛因斯坦解出的6種引力波里（用現代物理術語來講就是6種偏振模式），只有兩種既能傳遞能量又以光速傳播。

　　這些波也是橫波，如同電磁波一樣，也就是說它們只在與傳播方向垂直的平面上振動。與此相反，聲波是縱波，會在傳播的方向上壓縮空氣。而愛因斯坦得到的其他4個偏振解并不傳輸能量，傳播速度也是隨機的。實際上這是個在當時未能被理解的數學問題，問題出在了坐標系的選擇上。引力波與電磁波攜帶著天體不同類型的信息。力波及其電磁對應體的發現，有助于科學家結合不同信息研究天體的性質，并檢驗宇宙的基本規律。

　　例如哈勃常數，它是衡量宇宙膨脹速度的重要參數。目前，可通過測量Ia型超新星、重子聲波震蕩、宇宙微波背景等多種方式得到其數值。然而，隨著探測精度的提高，測量值的分歧越來越明顯。例如通過測量臨近Ia型超新星得到的哈勃常數數值，明顯大于普朗克太空衛星通過宇宙微波背景觀測得到的哈勃常數數值。