引力波有什么用？)
本文发表于2018年《三联生活周刊》第18期 ， _原题为为《宇宙中标准的笛声》
美国天文学家埃德温·哈勃
宇宙膨胀到底有多快探测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 ， 通过一对相互垂直的4公里长的干涉臂 ， 利用激光的干涉现象来探测时间空本身的微小尺度变化 ， 这本身就是一项了不起的成就 ， 其意义当然远不止于此 。引力波信号的探测相当于人类有一个极其敏感的感觉器官 。从此人类有了感知这个宇宙存在的方式 ， 这肯定会对天文学研究产生深远的影响 。
20世纪20年代 ， 埃德温·哈勃(Edwin Hubble)有了一个开创性的发现 ， 所有星系都在远离我们 ， 这意味着整个宇宙都在膨胀 ， 天体远离地球的速度与它们与地球的距离成正比 。这个比值的系数叫做哈勃常数 。正是这一发现使人类意识到宇宙中有一个开端 。
进入21世纪后 ， 人类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？这可以说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 ， 也关系到宇宙的未来和推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认识宇宙 。通过检查接收到的星光的红移 ， 我们可以计算出星系离开地球的速度(这正是哈勃用来判断宇宙正在膨胀的方法) ， 但更困难的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确切距离 ， 我们需要精确测量哈勃常数 。人类测量这个常数主要有两种方式 ， 但这两种方式得到的值并不一致 。
天文学家测量宇宙中天体与地球之间的距离 。目前最常用的方法是标准蜡烛法 。众所周知 ， 一些天体因其一致的结构特征和恒定的亮度而被命名为“标准烛光” 。当人类通过望远镜观察这些天体时 ， 由于它们离地球的距离不同 ， 它们看起来亮度也不同 。通过将观察到的亮度与其理论真实亮度进行比较 ， 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 。利用这种方法 ， 天文学家测量了哈勃常数的值:每相隔326万光年(100万帕秒) ， 星系倒退的速度将增加约73.5公里/秒 ， 但在2015年 ， 天文学家在地球轨道上仔细测量了普朗克卫星的宇宙微波背景辐射 ， 用这种方法得到的哈勃常数值是 ， 每相隔326万光年 ， 星系倒退的速度将增加约70公里/秒——两者之间的差距并不太大 。
有什么问题 ， 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”的方法来判断天体的距离 ， 虽然理论上用作标准烛光的天体亮度是值得信赖的 ， 但从地球上观察 ， 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” ， 包括暗能量、暗物质和可见物质 。可以说 ， 它反映了目前人类对宇宙整体状态的认知 ， 但它能准确描述宇宙的全貌吗？对宇宙状态了解不足也会影响哈勃常数的测量 。
引力波有什么用两种方法测量哈勃常数的结果不同 ， 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的途径 ， 这可能为天文学家提供一种前所未有的手段来精确测量天体之间的距离 。可以说 ， 引力波探测在天文学研究中最大的用途在于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 。
【引力波到底有什么用？ 引力波有什么用】事实上 ， 早在30多年前 ， 天文学家就预言人类有可能利用引力波解决天文问题 。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 ， 人类可以解决一个长期困扰天文学家的重要问题——宇宙膨胀的速度有多快 。
虽然这样一篇论文在理论上无可挑剔 ， 但在当时 ， 由于人们还不知道是否真的有可能探测到引力波信号 ， 它就像屠龙的技巧一样 ， 并没有太大的实际意义 。当引力波信号被发现时 ， 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优于其他方法 。
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