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引力波到底有什么用？ 引力波有什么用


引力波到底有什么用？ 引力波有什么用

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引力波有什么用？(引力波有什么用？)
本文发表于《三联生活周刊》2018年第18期，原题《宇宙中的标准笛子》
美国天文学家埃德温·哈勃
宇宙膨胀的速度有多快？探测来自宇宙深处的引力波对人类有什么用？这是人们经常问的问题 。
在地球表面，通过一对长度为4公里的相互垂直的干涉臂，人类可以通过激光的干涉现象探测到时间空本身微小的尺度变化，这本身就是一个了不起的成就，其意义当然远不止于此 。对引力波信号的探测相当于人类拥有极其灵敏的感官 。从此，人类有了更多的方式来感知这个宇宙的存在，这必将对天文研究产生深远的影响 。
20世纪20年代，埃德温·哈勃有了突破性的发现 。所有的星系都在远离我们，这意味着整个宇宙都在膨胀，天体远离地球的速度与它们离地球的距离成正比 。这个比值的系数叫做哈勃常数 。正是这个发现让人类意识到宇宙是有开端的 。
进入21世纪后，人类已经意识到宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀 。问题是，宇宙膨胀的速度有多快？可以说，这是目前宇宙学研究中最重要的问题之一，因为它不仅关系到人类对宇宙发展历史的认识，还关系到宇宙的未来，以及驱动宇宙加速膨胀的暗能量的真实身份 。
人类习惯于通过星光了解宇宙 。通过检查接收到的星光的红移，我们可以计算出星系远离地球的速度(这也是哈勃用来判断宇宙膨胀的方法)，但更困难的部分是如何测量这些星系离我们的实际距离 。为了知道星系和地球之间的准确距离，我们需要精确测量哈勃常数 。测量这个常数主要有两种方法，但这两种方法得到的值并不一致 。
天文学家测量宇宙中天体和地球之间的距离 。目前最常用的方法是“标准蜡烛”法 。据知，有些天体因其结构特征一致、亮度恒定而被命名为“标准烛光” 。当人类通过望远镜观察这些天体时，由于它们与地球的距离不同，看起来亮度也不同 。通过比较观测到的亮度与其理论真实亮度，天文学家可以计算出这些标准烛光与地球之间的真实距离 。使用这种方法，天文学家测量了哈勃常数的值:每相隔326万光年(100万秒差距)，星系回归的速度会增加约73.5公里/秒，然而，在2015年，天文学家通过地球轨道上的普朗克卫星对宇宙微波背景辐射进行了精细测量，通过这种方法获得的哈勃常数的值是，每相隔326万光年，星系回归的速度会增加约70公里/秒——两者之间的差异不是微不足道的 。
问题是什么，差异从何而来？天文学家认为也许这两种方法都不太准确 。比如用“标准烛光”法判断天体的距离，虽然用作标准烛光的天体亮度理论上是可信的，但在地球上观测时，其亮度不仅会受到距离的影响，还会受到天体周围环境的影响 。星光传播过程中宇宙尘埃和气体的干扰会降低探测精度 。另一方面，通过普朗克卫星探测到的宇宙微波背景辐射来判断哈勃常数，是基于所谓的“标准宇宙模型”，这个模型包括暗能量、暗物质和可见物质 。可以说它反映了当前人类对宇宙整体状态的认知，但它能准确描述宇宙全貌吗？对宇宙状态认识不足也会影响哈勃常数的确定 。
引力波有什么用？两种方法被用来测量哈勃常数，但得到不同的值 。那么如何才能得到最准确的数值呢？引力波探测开辟了一条新路，可能为天文学家提供一种前所未有的精确测量天体间距离的手段 。可以说引力波探测在天文学研究中最大的用途就是测量宇宙膨胀的速度和宇宙膨胀的历史 。人类甚至有可能通过引力波研究知道宇宙为什么在膨胀 。
其实早在30多年前，天文学家就已经预言人类可能会利用引力波来解决天文问题 。1986年9月，英国卡迪夫大学天文学家伯纳德·舒茨(Bernard Shu Ci)在《自然》杂志上发表了一篇论文《从引力波观测中确定哈勃常数》 。他在论文中提出，人类可以通过引力波探测解决一个困扰天文学家很久的重要问题——宇宙膨胀的速度有多快 。
虽然这样的论文在理论上无懈可击，但当时人们还不知道是否真的可以探测到引力波信号，所以这就跟屠龙的技巧一样，没有太大的实际意义 。当引力波信号被发现后，30多年前这篇论文的真正价值就体现出来了 。引力波天文测量是一种全新的、独立的方法，因此可以作为判断前两种方法有效性的标准，其精度在理论上可以超越其他方法 。
引力波穿过时，空本身以光速传播，在传播过程中不会受到环境的干扰 。因此，利用引力波判断天体间距离的准确性要高于标准烛光法 。如果用星光进行宇宙学探测属于光学范畴，那么引力波在频率范围内更接近声音(人们甚至可以把引力波信号直接作为音频广播) 。因此，天文学家模仿“标准烛光”的概念，提出了“标准海妖”的概念，即通过探测到的引力波信号来判断天体与地球的实际距离 。


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