引力波的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了廣義相對(duì)論最后一個(gè)未被實(shí)驗(yàn)直接檢測(cè)的預(yù)言，但引力波帶來(lái)的認(rèn)知革命絕不止步于此。引力波為我們打開(kāi)了除電磁輻射（光學(xué)、紅外、射電、X射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，一個(gè)全新的窗口——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個(gè)新窗口中，我們不再是以電磁場(chǎng)、物質(zhì)粒子作為觀察宇宙的憑借——我們感受的，是時(shí)空本身的顫動(dòng)！因?yàn)橐Σㄊ且粋€(gè)bling~bling~閃閃發(fā)亮的嶄新窗口，我們得以看到（或可能將會(huì)看到）很多以前極難觀測(cè)的天體和現(xiàn)象。
引力波將會(huì)告訴我們：
1、黑洞是不是真的存在？
LIGO的直接探測(cè)到的第一例引力波事件（據(jù)說(shuō)）來(lái)自?xún)蓚€(gè)恒星質(zhì)量黑洞的并合。兩個(gè)黑洞并合前，會(huì)在與彼此的繞轉(zhuǎn)中攪動(dòng)周?chē)臅r(shí)空，向四周散發(fā)出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統(tǒng)的引力勢(shì)能，讓兩個(gè)黑洞越繞越近、越近越快。而兩個(gè)黑洞最終并合之后，融合成的大黑洞會(huì)經(jīng)過(guò)幾下“搖擺”，才會(huì)融成完美的球形。所以今天發(fā)布的引力波事件的波形大體如下圖所示：
引力波事件的波形
在第一個(gè)階段“旋進(jìn)”時(shí)，引力波的周期越來(lái)越短（頻率越來(lái)越高），振幅越來(lái)越大；到第二個(gè)階段“并合”時(shí)，頻率和振幅都達(dá)到極值；在并合之后的“衰蕩”階段，振幅急劇減小到零。這樣的波形非常有特點(diǎn)——如果做成人耳能聽(tīng)到的音頻，就像是旋轉(zhuǎn)著冒出水面并破碎的氣泡一樣，非常有意思。
正是因?yàn)檫@種波形的振幅、頻率變化非常有特點(diǎn)，讓LIGO團(tuán)隊(duì)得以把這一類(lèi)波形在各種具體參數(shù)組合下的不同形狀做成模板庫(kù)，用于和LIGO實(shí)際收集到的信號(hào)做匹配。所以LIGO才能夠順利的找到這次的引力波事件。
于是乎，既然探測(cè)到了兩個(gè)黑洞并合的事件，我們自然知道——黑洞是存在的！
你說(shuō)，我們不是早就知道黑洞存在了么？
其實(shí)不完全是……實(shí)際上我們雖然已經(jīng)觀測(cè)到海量的天體物理現(xiàn)象，是可以用黑洞的存在予以完美解釋的，比如繞銀心旋轉(zhuǎn)的恒星的軌道表明，它們所圍繞的，是一個(gè)在很小尺度內(nèi)擁有巨大質(zhì)量的天體——但是這不一定是個(gè)黑洞呀……（雖然我們并不相信會(huì)是別的什么東西）
“非凡的預(yù)言需要非凡的證據(jù)”。黑洞是天文學(xué)家、物理學(xué)家的絕好玩具，好到他們不敢輕易相信它的存在。由雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波的發(fā)現(xiàn)，給出了黑洞確實(shí)存在的空前牢靠的證據(jù)。
2、引力波是以光速傳播嗎？
有波就有對(duì)應(yīng)的粒子。引力波對(duì)應(yīng)假想的引力子。如果引力子像光子一樣，沒(méi)有質(zhì)量，那也應(yīng)該以光速傳播，這是經(jīng)典的廣義相對(duì)論的預(yù)言。但是也有人表示，如果引力子有一點(diǎn)質(zhì)量，也許有助于解釋宇宙加速膨脹。而如果引力子有質(zhì)量的話，它就會(huì)以低于光速前進(jìn)。這樣如果我們能分別觀測(cè)到一次高能事件產(chǎn)生的電磁輻射和引力波，看看它們到達(dá)地球有沒(méi)有時(shí)間差，就能知道引力波是否在光子之后抵達(dá)地球，也就是引力波是否以光速傳播。
是，則再次捍衛(wèi)老愛(ài)；不是，更是動(dòng)搖物理大廈基礎(chǔ)的重要發(fā)現(xiàn)。
有波就有對(duì)應(yīng)的粒子。引力波對(duì)應(yīng)假想的引力子。如果引力子像光子一樣，沒(méi)有質(zhì)量，那也應(yīng)該以光速傳播，這是經(jīng)典的廣義相對(duì)論的預(yù)言。但是也有人表示，如果引力子有一點(diǎn)質(zhì)量，也許有助于解釋宇宙加速膨脹。而如果引力子有質(zhì)量的話，它就會(huì)以低于光速前進(jìn)。這樣如果我們能分別觀測(cè)到一次高能事件產(chǎn)生的電磁輻射和引力波，看看它們到達(dá)地球有沒(méi)有時(shí)間差，就能知道引力波是否在光子之后抵達(dá)地球，也就是引力波是否以光速傳播。
是，則再次捍衛(wèi)老愛(ài)；不是，更是動(dòng)搖物理大廈基礎(chǔ)的重要發(fā)現(xiàn)。
實(shí)際上就在引力波大新聞的論文發(fā)表的同一期PRL上，就有另一篇文章討論引力波的速度。這篇文章通過(guò)對(duì)我們發(fā)現(xiàn)的第一對(duì)雙脈沖星（Hulse-Taylor脈沖星）的觀測(cè)，把引力波的速度與光速的差別限制在0.01以下。
對(duì)了，這對(duì)脈沖星也是Hulse、Taylor兩位前輩天文學(xué)家首次間接驗(yàn)證引力波所使用的源呢！PRL這顯然是故意的^ ^
Hulse-Taylor脈沖星軌道周期的變化，符合因輻射引力波損失能量而導(dǎo)致周期變短的廣義相對(duì)論預(yù)言。這兩位仁兄也因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
3、宇宙弦存在嗎？
有理論認(rèn)為，宇宙早期相變過(guò)程中，可能產(chǎn)生極細(xì)卻具有宇宙學(xué)尺度的長(zhǎng)度的“宇宙弦”。
這些宇宙弦就像耳機(jī)線，總有一天會(huì)自己打成結(jié)。當(dāng)它們打結(jié)時(shí)，結(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生斷裂，并以引力波的形式釋放出能量。
宇宙弦打結(jié)的時(shí)候釋放出的引力波波形模擬
有些腦洞大的物理學(xué)家猜，也許宇宙弦的打結(jié)能夠產(chǎn)生封閉類(lèi)時(shí)曲線——通俗的講也就是可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行——這確實(shí)是我們期待能探測(cè)宇宙弦的一個(gè)好理由。當(dāng)然，應(yīng)該注意到，過(guò)去一二十年中，COBE、WMAP等宇宙微波背景輻射（CMB）探測(cè)衛(wèi)星并沒(méi)有找到宇宙弦對(duì)CMB留下什么痕跡，也就是說(shuō)即使宇宙弦真的存在，也不會(huì)有特別主要的作用。今天Kip Thorne在回應(yīng)記者提問(wèn)時(shí)，也表示，引力波會(huì)有助于我們加深對(duì)時(shí)空彎曲的理解，但要說(shuō)時(shí)間旅行，還太太太早了點(diǎn)。
4、中子星上有山嗎？
中子星是大質(zhì)量恒星死亡時(shí)，核心殘留的致密天體。它們的大小跟北京二環(huán)差不多，質(zhì)量卻可達(dá)兩個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。這么致密的天體，表面重力加速度非常大，以至于任何一點(diǎn)凹凸不平，都應(yīng)當(dāng)會(huì)被重力差破壞掉。所以理論上，中子星應(yīng)該是完美的球形。
不過(guò)有天文學(xué)家相信，也許中子星上也是有“山”的——海拔幾毫米的崇山峻嶺。這些“山”的存在，讓中子星有了微小的不對(duì)稱(chēng)瑕疵，這樣的瑕疵像一個(gè)小小的傷口，會(huì)使高速自轉(zhuǎn)的中子星通過(guò)引力波不斷損失能量。
而我們，可以通過(guò)監(jiān)聽(tīng)中子星發(fā)出的引力波，來(lái)推測(cè)其上山巒起伏的情狀。這給我們提供了一種新的探索中子星極致密物態(tài)性質(zhì)的方法。
5、恒星怎么就爆了？
大質(zhì)量恒星生命終點(diǎn)的時(shí)候，可能在一場(chǎng)劇烈的超新星爆炸之后塌縮為黑洞或中子星。但我們現(xiàn)在還不知道，超新星具體是如何點(diǎn)燃的。監(jiān)聽(tīng)超新星爆炸時(shí)的引力波波形，與電磁波段的觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比，可以給我們提供檢驗(yàn)現(xiàn)有模型的更多依據(jù)。
6、宇宙膨脹的多快？
現(xiàn)在我們測(cè)量宇宙膨脹速度，使用的是Ia型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”——因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的哪幾個(gè)大哥，都是靠觀測(cè)Ia型超新星拿獎(jiǎng)的。
不過(guò)要是Ia型超新星不夠準(zhǔn)確，可就麻煩了。好在引力波能給我們提供一個(gè)獨(dú)立的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”：通過(guò)測(cè)量引力波事件的強(qiáng)度，我們能推算出引力波源的距離。如果我們能在電磁波段上找到引力波源所在的星系，就能比較該星系的紅移與引力波源距離之間的關(guān)系——這樣我們就又多了一種測(cè)量宇宙膨脹速度的方法。
本段主要參考、編譯自2月9日Davide Castelvecchi在Nature新聞欄目上發(fā)表的短文《Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle》。
