引力波靠什么传播的_引力波传播需要介质吗

　　引力波是什么

　　在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。

　　引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播。

　　双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。

　　如何确定引力波的来源和方向

　　对于一个瞬时信号源的定位包括两方面问题：一是方向，二是距离。

　　LIGO本身是相互垂直的两条光路，所以对于信号方向测定有一定的帮助，但还远远不够。重力波信号源的测定更多是基于LIGO的两个探测站，相距2000英里左右，成为了一个三角定位问题。实际测量时，两个站收到信号的时间相差了6.9毫秒，差不多是光速跑2000英里所需的时间，也证实了引力波是以光速传播的。

　　当然，由于信号源距离地球非常的遥远，所以在地球上相距2000英里的两个探测器之间这点些微的差距很难精确定位信号源。就好比我们的两只眼睛可以根据视差轻易分辨房间里两样东西的远近，但很难分辨几百米外两样东西的远近（前提是你不知道那两样东西的尺寸），因为在遥远的距离上视差已经非常小了。

　　实际上，这次定位的方向精度只有600平方度，也就是天空中横竖各25度左右的天域。这在天文研究来讲已经是非常非常非常之大的误差了。

　　至于信号源的距离，主要是靠红移来测量的。因为黑洞合并事件引发的引力波信号特征（包括频率、相位、潮汐效应、末尾铃荡的波形等）中，有些带有黑洞绝对质量的信息，以之进行修正，参比直接从波形获得的黑洞红移质量，就能算出红移系数。这次引力波信号的红移为0.09（+0.03 -0.04），对应13亿光年。但看它的误差范围就知道，超过了正负三分之一，也就是正负4到5亿光年左右，很难说是精准的。

　　要精确定位，有两条路：一是有距离更远的探测器或多个探测器加入进来，共同校准。这次地球上唯一另外一个引力波探测器GEO600当时不在测量模式，所以没法提供帮助。试想，如果我们可以在泰坦上建一个引力波探测器，那么对信号源的定位精度将会有数量级的提高。

　　第二个方法是加入别的探测手段。因为黑洞合并是个高能事件，会伴随可见光，伽马射线爆等多种物理现象。如果能够结合其他探测手段的探测结果，就能真正做到精确定位。

　　引力波靠什么传播的

　　我们可以把空间视为某种可以扭曲、振动的弹性介质，因此它可以传播波。自1916年起，爱因斯坦就开始尝试证明他的广义相对论方程包含一个解，这个解能够表征引力波的传播。然而，广义相对论的数学之美与其方程的复杂性不分伯仲。这些方程的一个特点就是它们是非线性的。所谓的非线性，指的是一个系统产生的反应与它所受的刺激并不成正比。

　　正如面对这种问题时研究者常做的那样，爱因斯坦决定先考虑简化后的情况。他把引力波视为对初始的“平坦”时空的微调——即摄动。如预料的一样，他计算出了几种不同类型的引力场振动，而它们均以光速传播。但是他很快就开始怀疑，这些解在物理上是否真实存在。

　　一个疑点与引力波的双重性质有关：引力波既是几何学的，是空（时）间的波动；也是物理学的，是引力场的特征。因此，作为一种自然界中存在的波，引力波的振幅应该能够和一些物理量联系在一起，比如速度、辐射功率等等。在爱因斯坦解出的6种引力波里（用现代物理术语来讲就是6种偏振模式），只有两种既能传递能量又以光速传播。这些波也是横波，如同电磁波一样，也就是说它们只在与传播方向垂直的平面上振动。与此相反，声波是纵波，会在传播的方向上压缩空气。

　　而爱因斯坦得到的其他4个偏振解并不传输能量，传播速度也是随机的。实际上这是个在当时未能被理解的数学问题，问题出在了坐标系的选择上。

　　事实上，相对性原理规定，物理量的值并不随坐标系的选取而发生变化。爱因斯坦选择的坐标系并不完美，用它算出的偏振模式在广义相对论的框架下不是真实存在的。但是，现在研究其他引力理论的物理学家发现，这些偏振解中的某几个具有物理意义。如果能观测到这些偏振模式的话，将有划时代的意义，这能让我们测试超越广义相对论的物理理论。

　　令人琢磨不透的坐标系性质，加上方程的非线性，不仅让涉及广义相对论的物理问题计算起来极为困难，还让结果难以理解。这就是物理学家在20世纪60年代以前都未能理解黑洞视界的原因。1936年左右，爱因斯坦也一度相信自己和纳森·罗森（Nathan Rosen，爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的助手）证明了引力波并不存在。而这个结论与爱因斯坦先前的工作是完全矛盾的。

　　引力波输送的能量以及它与物质系统的相互作用，这些问题看似容易，但实际上非常复杂，以至于物理学家一直在研究这些问题，经过了几十年才能得出初步结论。

　　引力波传播需要介质吗

　　所有的机械波都不能在真空中传播，必须依赖介质，而所有的场波则都可以在真空中传播，除了电磁波以外，还有引力波。

　　声音是一种机械波，机械波的传播需要介质。电磁波或引力波传播不需要介质，因为传播的扰动不是介质的移动而是场。力波被LIGO转化为声音片段。

　　自1916年起，爱因斯坦就开始尝试证明他的广义相对论方程包含一个解，这个解能够表征引力波的传播。然而，广义相对论的数学之美与其方程的复杂性不分伯仲。这些方程的一个特点就是它们是非线性的。所谓的非线性，指的是一个系统产生的反应与它所受的刺激并不成正比。

　　正如面对这种问题时研究者常做的那样，爱因斯坦决定先考虑简化后的情况。他把引力波视为对初始的“平坦”时空的微调一一即摄动。如预料的一样，他计算出了几种不同类型的引力场振动，而它们均以光速传播。一个疑点与引力波的双重性质有关：引力波既是几何学的，是空（时）间的波动;也是物理学的，是引力场的特征。

　　因此，作为一种自然界中存在的波，引力波的振幅应该能够和一些物理量联系在一起，比如速度、辐射功率等等。在爱因斯坦解出的6种引力波里（用现代物理术语来讲就是6种偏振模式），只有两种既能传递能量又以光速传播。

　　这些波也是横波，如同电磁波一样，也就是说它们只在与传播方向垂直的平面上振动。与此相反，声波是纵波，会在传播的方向上压缩空气。而爱因斯坦得到的其他4个偏振解并不传输能量，传播速度也是随机的。实际上这是个在当时未能被理解的数学问题，问题出在了坐标系的选择上。引力波与电磁波携带着天体不同类型的信息。力波及其电磁对应体的发现，有助于科学家结合不同信息研究天体的性质，并检验宇宙的基本规律。

　　例如哈勃常数，它是衡量宇宙膨胀速度的重要参数。目前，可通过测量Ia型超新星、重子声波震荡、宇宙微波背景等多种方式得到其数值。然而，随着探测精度的提高，测量值的分歧越来越明显。例如通过测量临近Ia型超新星得到的哈勃常数数值，明显大于普朗克太空卫星通过宇宙微波背景观测得到的哈勃常数数值。