有传言称，在激光干涉引力波天文台（LIGO）美国探测到了引力波，时空涟漪有可能吗？毕竟，2014 年，BICEP2（宇宙河外偏振背景成像）望远镜的科学家做出了一个惊人的声明，他们已经检测到它们。它最初被誉为本世纪最具突破性的发现，后来被证明是虚惊：该信号仅仅是银河尘埃。
那么，我们有可能发现引力波吗？它们真的能为宇宙大爆炸提供无可辩驳的证据吗？以下是关于引力波的五个常见误解。
1. 挫折只是由于初期问题
引力波的搜索似乎才刚刚开始，但实际上已经进行了几十年，但一直没有成功。
引力波是一种脉动扰动，即当大型物体穿过时空结构时产生的“涟漪”。它们在传播过程中会拉伸和挤压物体，尽管是亚原子级的。因此，科学家一直试图通过观察附近物体受到的影响来证明引力波的存在。
经过的引力波会拉伸并挤压其路径上的物体。维基媒体
1968年，美国物理学家约瑟夫·韦伯声称他用巨大的铝制圆柱体组成的神秘探测器以这种方式探测到了引力波。不幸的是，后来被证明是错误的。
如今，科学家们更喜欢使用激光干涉测量法寻找引力波。它的工作原理是将激光束分成两个垂直方向，然后分别沿着一条长真空隧道发送。然后，这两条路径被镜子反射回它们的起点，那里放置着一个探测器。如果波在途中受到引力波的干扰，重新组合的光束将与原来的不同。
地面干涉仪，例如激光干涉引力波天文台 (LIGO)，臂长约四公里。未来的太空干涉仪，如分赫兹干涉仪引力波天文台（德西戈）以及改进的激光干涉仪空间天线（电子免疫吸附试验）将使用长达一百万公里的激光臂。这些实验预计将在未来十年内启动。
2. 这些波来自早期宇宙
引力波最强的来源实际上是天体物理过程，它一直在发生。
这些来源中最主要的是白矮星或黑洞对的旋转（所谓的“双星系统”）。人们认为，这种对会通过发射引力波逐渐失去能量。这是证明发现了著名的赫尔斯-泰勒脉冲星1974 年。该脉冲星提供了引力波的间接证据，因为它的能量损失速率与广义相对论的预测一致（但并未看到引力波本身）。
然而，科学家也在寻找宇宙诞生后不久产生的引力波，即原始引力波，这种波更加难以捉摸。
3. BICEP2 有朝一日可能“看到”引力波
BICEP2 的目标之一是尝试探测印在温度中的原始引力波特征宇宙微波背景宇宙微波背景辐射（CMB）。这种辐射包含的光是宇宙诞生仅 30 万年后，即第一批恒星诞生之前，从基本粒子汤中首次出现的。
宇宙微波背景，由普朗克卫星测量。ESA/普朗克合作
当光波在某个方向上振动时，我们说它具有特定的极化如果引力波在 CMB 诞生时就存在，它们应该会留下一种独特的漩涡状图案——光的偏振卷曲——被称为“B 模式”。
因此，B 模式只是引力波存在的间接证据。这一点很重要：像 BICEP2 这样的实验永远无法观测到引力波本身，只能观测到它们留下的痕迹。
甚至连掸掉这些指纹都不容易。B 模式通常被灰尘发射的强得多的信号所掩盖，这是一种称为引力透镜，其中混合了不同类型的偏振模式。消除这些和许多其他污染物是一项非常微妙的任务，通常依赖于其他实验的结果。
这一复杂挑战将由下一代 BICEP 类实验来解决，例如阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）及其计划中的继任者 AdvACT。他们将能够测量超出普朗克范围的 CMB 尺度，并将从 BICEP 那里学到有关灰尘和其他污染物建模的宝贵经验。十年内探测 B 模式的前景非常光明。
一些人甚至猜测太空干涉仪也许能够检测原始波，或许可以通过从已知的天体物理过程中减去检测到的波来检测。
4.引力波将“证明”大爆炸的存在
引力波的最早来源不是大爆炸，而是宇宙膨胀：宇宙大爆炸后不久，宇宙经历短暂的指数膨胀的时期。
BICEP2 声称探测到的引力波是宇宙加速膨胀的副产品。这符合广义相对论，即预测加速物体会发射引力波（类似于加速电荷发射电磁波的方式）。
目前，膨胀被认为是早期宇宙的主要模型。虽然许多关于膨胀的关键预测都已得到证实，但原始引力波的存在仍未得到证实。如果观测到它们，它们将直接告诉我们膨胀发生时的能量尺度，使我们更接近理解大爆炸。但它们无法证明大爆炸的存在，因为大爆炸是我们尚未理解的数学奇点。
5. 我们只需要一个实验就能检测到它们
引力波的强有力统计证据肯定需要不止一次实验。与光波一样，引力波也具有频谱。两种检测技术（B 模式和激光干涉法）正在搜索不同频率的波——相差 15 个数量级。
最简单的膨胀理论预测了具有特定频谱的原始引力波背景，换句话说，我们知道每个频率的振幅应该是多少。因此，如果科学家能够在两个非常不同的频率上探测到引力波，这将是膨胀的有力证据，即使是最强硬的怀疑论者也难以反驳。
那么搜索值得吗？
第一代太空干涉仪不太可能达到探测原始引力波所需的灵敏度。这种信号究竟是什么样子尚不得而知，而且原则上，未来的干涉仪可能永远无法探测到。
尽管如此，如果我们能够直接探测到天体引力波，这将为检验爱因斯坦广义相对论的有效性开辟新的途径，而广义相对论在现代物理学中被用来描述引力。该理论近年来受到质疑），预言了引力波的存在。
它还将为我们提供有关恒星、星系和黑洞演化的新见解，而这些是我们通过其他方式无法获得的。
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_本文于 2016 年 1 月 12 日更新，以反映最新发展。_
Siri Chongchitnan，数学讲师，赫尔大学
