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引力波是怎么被测量的？

施郁（复旦大学物理学系教授）历史上主要有过3种测量。1960年代，韦伯使用铝圆柱，即所谓“韦伯棒”作为探测器，希望引力波引起共振，就好比用音叉测量声音。他后来还用相距1000公里的两个探测器，以排除只影响单个探测器的因素。这个思想后来被LIGO采纳。1969年韦伯声称他的两个韦伯棒发现了引力波。但是无人能重复，普遍认为他的结果是错的。

1974年，拉塞尔?赫尔斯（Russel Alan Hulse）和约瑟夫?泰勒（Joseph Hooton Taylor）发现引力波导致一个中子星和与之互相环绕的伴星之间的距离越来越小。这可以算间接测量引力波。真正成功的直接测量就是两年前成功，最近探测到好几次引力波的方法，也就是用干涉仪的方法。每个探测器是一个巨大的迈克尔逊干涉仪，有两个互相垂直的、约4公里长的臂，构成L形。

一束激光分成两束，分别进入两臂。在每个臂中，激光被两端的镜子来回反射多次。最后两束激光再叠加起来，这就是干涉。干涉的光强决定于两臂长度差，所以用来测量两臂长度差。引力波经过探测器时，每个臂的长度都时长时短地振荡，而且步调相反，一个臂变长时，另一个变短。所以两臂长度差也在振荡，从而激光干涉的光强也在振荡。

引力波为何只能检测到一次？

问题对引力波的理解有误，引力波不是两个天体合并产生爆炸的震荡。引力波并不是两个天体合并时才会存在，地球跟太阳之间的运动，甚至两个擦肩而过的人之间，都会产生引力波。只是这些引力波无法测量而已。引力波强度跟转动惯量成正比，质量越大的物体转动惯量越大，黑洞或中子星的质量跟人相差最少有29个数量级。引力波强度跟频率的平方成正比，中子星的转速每秒钟可以有1000转。

即使是中子星或黑洞之间的高速绕行，对我们地球的时空造成的扰动，在每公里尺度上的变化也只有大约原子核半径的万分之一。在黑洞或中子星相互绕行时，他们之间的距离是越来越近，频率是越来越高的，产生的引力波强度也在不断增强，最终到我们能够测量到时，他们也就迅速完成合并。所以今后人类测量技术继续提高之后，应该能够“看”到更多更持续的引力波。

引力的传播速度是光速，我们是如何测量的？

引力的传播速度是光速，我们是如何测量的？宇宙空间中的四种基本作用力是强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力，其中强相互作用力和弱相互作用力是反映在微观粒子层面，分别是原子的结合力和核子产生衰变的作用力。而在宏观世界中反映出的物质之间的作用力主要是电磁力和引力，其中电磁力的本质是光子的交换，是我们观察周围世界最常用的媒介，而引力则是普遍产生在有质量的物体之间，是使之具有相互结合趋势的吸引力。

在四种基本作用力之中，引力是最弱的，那么科学家们是怎么测量出它的速度的呢？引力的本质1687年，牛顿正式提出了万有引力定律，从而将物体在一定的时间和空间的运动问题，以数学表达式的形式加以确定，而宇宙星体之间的运行也在此基础上得到了很好的诠释，根据万有引力定律，人们描述两个物体之间的万有引力，与它们的质量成正比、与距离的平方成反比，很多科学家根据牛顿万有引力定律，成功预言或者推测出了诸如哈雷彗星、海王星等天体的存在，为人类社会深入认识宇宙的形成和发展奠定了坚实的基础。

然而牛顿并未就引力的本质，即引力产生的原因作出说明。到19世纪时，世界经典物理理论体系已经基本建成，其重要标志就是以经典力学、经典电磁场理论、经典统计力学为3大支柱，在这种背景之下，物理学中迈克尔逊实验结果和以太漂移说互相矛盾的结果，向人们诠释了宇宙并未全部因“引力”而统一，势必还有更深层次的原因有待人们去探索和破解。

20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，其中有两条基本原理，其一是狭义相对论性原理，即物理规律在所有惯性参照系中都具有相同的表现形式，从而否定了以太假说；其二是光速不变原理，即在所有惯性参照系中，光在真空中的速度稳定保持一个数值，不会因惯性参照系的不同而发生改变。爱因斯坦的狭义相对论，将物体的运动、时间、空间统一了起来，并且将质量和能量进行了统一，据此推导出狭义相对论之下的质速方程、尺缩方程、钟慢方程、质能方程。

1915年，爱因斯坦又提出了广义相对论，在狭义相对论的基础上又增加了一条基本原理，即惯性质量等同于引力质量，指出在没有物质的情况，时空是平直的，而空间中一旦存在物质，那么质量就会使时空发生弯曲，认为引力产生的根源是时空的弯曲造成的。在广义相对论的基础上，爱因斯坦推导出了引力波的存在。从以上广义相对论的基本原理，我们可以看出，引力的本质其实并非直接由质量产生，而是间接通过质量，引发时空曲率的产生，使大质量物体周围的空间发生弯曲，然后周围物体沿着弯曲的时空运行。

引力波的发现刚才提到了，早在上世纪初，爱因斯坦就推导出了引力波的存在。其实，引力波的推导，是在广义相对论下应用洛仑兹不变性的结果。但是，由于引力是四种基本作用力中最弱的，根本不可能直接由仪器进行测量空间中每时每刻都存在的这种力。同时，宇宙中运动的物体，基本上是在各种引力作用下呈现平衡状态的运动模式，根本看不出在这种引力场环境中引力的波动。

那么，既然广义相对论中确认了引力波的存在，作为一种波，它也应该会有像波的特性，即引力源的质量发生大规模变动时，由其质量变化产生的时空弯曲改变，会直接影响引力波的变化，从而以波动的形式进行蔓延，就像水波一样，从中心到外围的变化需要一定的时间过程，引力波也应该会出现这样的变化，如果我们能够找到这种突变的情况，就会有可能侦测到引力波的存在，并且还会测算出它的传播速度。

2015年，位于美国的激光干涉引力波观测站，首先发现了两个黑洞并合产生的引力波事件，其原理是通过两个观测隧道内引力波对其的拉伸和压缩，使隧道发生非常细微的变型，然后利用激光来精准进行监测变型程度。在9月份的时候，先是观测到目标区域发生了两个黑洞的合并现象，随后侦测到引力波到达隧道内，这是人类历史上第一次通过仪器观测到引力波的存在。

另外，在2017年，科学家通过观测两个中子星合并，也成功探测到了引力波。引力波的速度从理论上看，狭义相对论确定了宇宙中最快的信息传递载体为光子，最高速为光速；按照广义相对论以及引力场方程，可以得出引力波的传递速度也是最快，其值与光速相同。因为我们可以试着理解一下，既然引力是因时空弯曲而产生，那么这个空间的弯曲区域可以近似地看为引力场，那么引力的扩散与传播也就是弯曲时空所带来的直接行为，则引力的扩散速度也应该等于光速。

在人类已经观测到的无论是双黑洞合并、还是双中子星合并等引发的引力波事件中，在距离地球几亿光年之外，人们侦测到的电磁波和引力波几乎同时到达地球，因此也从实验层面证实了引力波的传播速度等于光速，不过这个实验的方法是应用类比的方法，即拿引力波与光的接收时间进行比较，不是直接进行的速度测量。不过也没关系，我们再等个10年左右，欧洲航天局预计届时将启动LISA（欧洲空间引力波计划）项目，那个时候就可以实现直接测量引力波的速度了。

宇宙中真的存在引力波吗？如果存在，该如何证明或检测？

说到引力波就不得不提起爱因斯坦对于时空的定义，其实爱因斯坦是不认为有引力存在，这里说的引力是牛顿说的万有引力，我们认为时空是“平坦”的一成不变的，但是其实时空会受物体的质量而变得扭曲，星体之间引力不是星体与星体之间的作用力，而是由于质量较大的星体扭曲了周围的时空，使得星体的运行轨迹发生变化(比如你在一个平整的道路上挖个坑就会改变直线运行物体的轨迹)所以引力波不是我们传统认为的力，而是一种时空的涟漪，当质量很大的两个物体之间相互螺旋运动，周围的时空不断扭曲，就像扔了一块石子到水面，产生的波纹向四周扩散，这就是我们说的引力波。

如果太阳一样大的恒星撞入银河中心的黑洞，以现在的仪器能检测到其引力波吗？

不好说，这个要正确回答需要正式计算，或者问问LIGO(?????)按质量来说1个太阳质量是肯定可以检测出来的，因为上次双中子星合并里1.3亿光年外的两颗中子星也就1.1和1.6倍太阳质量，没比太阳大多少。但是除了要考虑质量以外，引力波还需要考虑绕转距离，这关系到引力波的波长和频率。而这个距离貌似就有点大了。

根据目前数据，银河系中心黑洞质量大约400万个太阳质量，而太阳的史瓦西半径大约是3公里左右，根据史瓦西半径公式，史瓦西半径与质量成正比，因此400万个太阳质量的黑洞半径就大约是1200万公里，也就是恒星最终接触视界时绕转距离大约在1200万公里左右，虽然不算近，但是也不是太远了，毕竟这个引力波源离我们只有2.6万光年。

时光扭曲会不会导致光也扭曲？如果是的话，那么是不是用激光测引力波这样的理论就不科学了呢？

谢谢悟空的邀请。利用激光干涉仪测量引力波，属于天体物理学的前沿技术。实验始于上个世纪七十年代，经过美国，欧洲多个国家不懈努力，克服重重困难，历经40余年，至今已经获得巨大成功。一，引力波是两个巨大星体，相互作用而产生的涟漪。这种涟漪实质就是引力场的传播。①激光干涉仪有两臂，长度数千米。被测天体在遥远的太空深处，发出的光分别进入干涉仪的两个臂管管道之中。

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