如何检验引力理论（六）

为了了解引力波如何检验引力理论，我们首先要知道引力波的一些性质。（下面一段中出现的科学名词都会在正文中详细解释）

首先，引力波是横波，而且一般是柱面波；它来自四极辐射，而非电磁波的二级辐射所以非常弱；其传播速度十分接近光速，并且至少有两个偏振模式；与机械波不同，它的不需要传播介质；显然，牛顿引力等瞬时引力理论不存在引力波，而时空曲率的振动在时空中传播即为引力波。

07     引力波与引力理论的检验

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全球一起行动捕获引力波与其电磁对应体

目前，引力波检验引力理论时候，取得成绩最辉煌的方法，就是引力波的传播速度。

限制引力波传播速度的的方法主要就是靠引力波和电磁对应体，通过对比电磁波、引力波到达时间差来估算引力波的速度。如果没有电磁对应体的话，显然精度不足；如果恰好遇到引力波、电磁对应体和引力透镜同时出现，那么就可以大幅度减小误差，但是这种机会可遇不可求。

事实上，和引力波传播速度息息相关的一个物理概念，就是引力子。引力子是一种基本粒子，就像光子电子那样的基本粒子，只不过到现在人类并未观测到引力子。但是如果引力子没有质量，那么引力波必定是以光速传播。反之，引力波就会和光速有所偏差，比光速略小一些。

几次引力波信号的对比

2017年，科学家们对GW170817
与其电磁对应
体GRB170817A的观测表明，引力波传播速度和光速的误差，在10^-15之内。可以说，这个数据已经把引力波的传播速度限制到很低了。这样，一系列带有自由参数的修改引力理论纷纷得到的限制，有一些限制得特别严格，有一些前后矛盾或者“病入膏肓”，直接被淘汰。

引力波示意图

当然，引力波信号还会告诉我们很多事情，例如时空的维数，致密星体最大质量，黑洞的许多相关性质等。这些也可以间接检验引力理论。

另一方面，利用引力波的波形，亦可对引力理论进行检验，但属于数值相对论的工作。目前，这方面，尤其是修改引力理论的波形的研究仍然较少。好在，LIGO的数据分析团队有专门的分析模板，因此可以开展流水线工作。

悠久

引力波的另一个重要的性质就是偏振。

那么，什么是偏振呢？我们之前提到了，引力波是横波。所谓横波，指的就是是质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，纵波恰好相反。我们在高中物理时候处理的几乎都是横波，因为横波相对应纵波而言，要好理解得多，尤其是便于画图理解。而生活中，电磁波等都是横波，而声波则是纵波。

而偏振是专门针对横波的，纵波并没有偏振现象。所谓偏振，值得就是横波的垂直于波的传播方向，偏向于某个方向的现象。

我们之前提到过，引力波是一种度规波，这意味着它拥有比电磁波更多更丰富的偏振模式。理论上讲，引力波可以有6种偏振模式，但是这是双臂引力波探测器所难以探测的。目前我们只能肯定引力波有两个方向的偏振，但是并不知道到底有没有剩下4种。若想探测到额外的那几种，我们必须要用更多臂的引力波探测器，这无疑会大大增加工程难度。现有的几个探测器都是双臂探测器。

引力波的偏振示意图

事实上，我们还可以把引力波源按照频率分类：

高频（10赫兹到10^4赫兹）；

低频（10^-4赫兹到10^-1赫兹）

甚低频（10^-9赫兹到10^-7赫兹）；

极低频（小于10^-14赫兹）。

每一类引力波源对应的天体是不同的。不同来源的引力波组成的引力波背景亦可检验引力理论。

引力波光谱

未来的引力波宇宙学还可以观测或限制各类引力波源，例如宇宙原初引力波、宇宙早期相变产生的引力波、宇宙弦产生的引力波等。亦可通过宇宙微波背景辐射的极化观测来探测极低频的宇宙原初引力波。

目前所有的引力波事件都发生在宇宙学尺度上，未来甚至能够探测更高红移的引力波事件，因此，引力波可以作为宇宙探针来研究宇宙学。其中，引力波的一个重要的应用就是作为宇宙标准汽笛，以此来确定各种宇宙参数。此外，作为标准汽笛的引力波还可以区分暗能量和修改引力、限制宇宙中中微子的质量等。

此外，它亦可替代中子干涉术中的磁场，但是这个实验的难度相当高。

引力波的未来

引力波探测实验是大工程，需要各行各业的顶尖人才齐心协力，包括物理、计算机、电子、仪器、测控、工程等方方面面的高级人才。可以说，引力波探测实验，带来的不仅仅是探测本身。

未完待续

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