关于引力波的五个谜思

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优雅而难以捉摸。合并黑洞的模拟呈现出引力波。NASA/ESA/wikimedia

BICEP2(宇宙泛星系偏振背景成像二代)望远镜背后的科学家们去年做了一个非凡的宣称，他们已经探测到引力波，亦即时空涟漪。最初这被誉为本世纪最具突破性的发现，但后来证明是假警报：该信号只是银河系尘埃。

那么，我们是否有可能找到引力波？他们真能为大爆炸提供无可辩驳的证据吗？下面是关于引力波五个常见的神话和误解：

1. 挫折只是磨合期问题

搜索引力波看起来像是才刚刚开始，但实际上它已经持续了几十年而尚未成功。

引力波是巨大物体在时空结构中通过时产生的脉动扰动或称“波纹”。它们传播时在亚原子尺度挤压和拉伸物体。科学家们一直试图通过观察附近物体如何受到影响来证明引力波的存在。

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经过的引力波延伸和压缩路径上的物体。wikimedia

1968年，美国物理学家约瑟·韦伯声称他已经用这种方式检测到引力波，使用的是他的高深莫测的巨大铝圆柱体组成的探测器，杯具的是这后来被证否。

如今，科学家们更喜欢用激光干涉法来寻找引力波。它的工作原理是将一束激光在垂直方向上分裂，各自通过一条长距离真空管道，然后通过反射镜反射回出发点，在那里放置有一个检测器。如果光波在途中受到引力波扰动，重组后的光束就会不同于原来的。

地面干涉仪，如激光干涉引力波天文台(LIGO)，有着长约四公里的双臂。未来的太空干涉仪如分赫兹干涉引力波天文台(DECIGO)和激光干涉空间天线(eLISA)将使用跨越一百万公里的激光臂。这些实验预计将在未来十年内发射，而一个eLISA“探路者”任务则即将发射。

2. 引力波来自早期宇宙

引力波最强的来源实际上是天体物理过程，它们所有时间都在发生。

这些来源中最显著的是成对白矮星或黑洞(所谓的“双星系统”)的旋转。它们被认为通过发射引力波而逐渐丧失能量。1974年著名的赫尔斯-泰勒脉冲双星的发现表明了这一点。该脉冲星正以广义相对论预测的速度损失能量，提供了引力波的间接证据(但并没有观察到引力波本身)。

然而，科学家们也在寻找宇宙诞生后不久就产生的引力波，称为原初引力波，而它们更是难以捉摸。

3. BICEP2有一天能“看到”引力波

BICEP2的目标之一是尝试检测原初引力波在宇宙微波背景(CMB)温度中印记下的特征。该辐射包含宇宙年龄仅三十万年时基本粒子汤第一次发出的光线，早在第一批恒星诞生之前。

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由普朗克卫星测量的宇宙微波背景。ESA/Planck Collaboration

当光波在一个特定方向上振动，我们说它有一个特定的偏振。如果在CMB诞生时有引力波存在，他们应该留下一个独特的旋涡模式–在光的偏振中的卷曲–称为“B模”。

因此，B模只是引力波的间接证据。这一点很重要：BICEP2等实验无法观察引力波本身，只能观察它们留下的指纹。

即使获取这些指纹也是不容易的。B模通常被尘埃发射的更强大信号，和混淆不同类型偏振模式的引力透镜效应所掩盖。消除这些和许多其它污染物是一个最微妙的任务，且往往依赖于其他实验的结果。

这种复杂的挑战将由下一代类BICEP实验解决，如阿塔卡马宇宙学望远镜(ACT)及其计划中的继任者AdvACT。他们能够以普朗克难以企及的尺度测量CMB，还能从BICEP中学到对尘埃和其他污染物建模的宝贵经验。在十年内检测到B模的前景看起来非常有希望。

有些人甚至猜测，通过从已知天体物理过程中减去检测到的引力波，空间干涉仪也许能够探测到原初引力波。

4. 引力波将会“证明”宇宙大爆炸

最早的引力波的来源不是大爆炸，而是宇宙暴涨：紧接宇宙大爆炸之后，宇宙经历的一段短暂的指数性膨胀。

BICEP2宣称发现了的引力波是这段宇宙加速膨胀的副产品。这符合广义相对论，它预言一个加速的物体会发出引力波(类似于加速的电荷发出电磁波)。

暴涨目前被认为是早期宇宙的主要模式。虽然许多关键的暴涨预测已被验证，预测中存在的原初引力波仍然是难以捉摸的。如果它们被观察到，就会直接告诉我们暴涨发生的能量规模，使我们更接近理解大爆炸。但它们不能证明大爆炸，这是一个我们还没有理解的数学奇点。

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5. 我们只需要一个实验来检测它们

引力波的强统计证据肯定需要一个以上实验。像光波一样，引力波以一个频谱的频率出现。两种检测技术(B模和激光干涉)正以不同频率寻找引力波——相差15个数量级。

最简单的暴涨理论预言了特定频谱的原初引力波的背景，换句话说，我们知道每个频率的振幅应该是什么。因此，如果科学家们能够在两个非常不同的频率上发现引力波，这将是暴涨甚至最强硬的怀疑论者都很难反驳的有力证据。

那么搜索是值得的吗？

第一代空间干涉仪会达到检测原初引力波所需灵敏度是非常不可能的。这种信号到底像什么样尚属未知，而且在原则上，它对未来任何干涉仪都是遥不可及的。

然而，如果我们能够直接探测天体引力波，这将开辟新途径来检验爱因斯坦广义相对论的正确性，它用来描述现代物理学中的引力，这一理论(在最近几年受到了质疑)预测了引力波的存在。

它也将提供任何其它方式都不能提供的对恒星进化、星系和黑洞的新见解。

本文译自 TheConversation，由 王丢兜 编辑发布。