引力波有什么用|引力波到底有什么用？「问人人知识网」

引力波有什么用（引力波到底有什么用？）
本文刊载于《三联生活周刊》2018年第18期，原文标题《宇宙中的“标准笛声”》

美国天文学家埃德温哈勃
宇宙膨胀到底有多快探测到来自宇宙深处的引力波，对于人类到底有什么用处？这是人们经常会问到的一个问题。
人类在地球表面，通过一对长达4公里的相互垂直的干涉臂，通过激光的干涉现象探测到时空自身所发生的极小尺度的变化，这本身就是一个了不起的成就，而它的意义当然远不止于此。探测到引力波信号，相当于人类又拥有了一个极其灵敏的感官，人类从此多拥有了一种方式来感知这个宇宙的存在，这也必定会对天文学研究产生深远影响。
在20世纪20年代，埃德温哈勃（Edwin Hubble）做出了开创性的发现，所有星系都在离我们远去，这意味着整个宇宙都在膨胀，而且天体远离地球的速度与其和地球的距离成正比，这个比例的系数被称为哈勃常数（Hubble Constant）。正是这个发现让人类认识到宇宙存在着一个开端。
进入21世纪以后，人类又意识到宇宙不仅在膨胀，而且是在加速膨胀。问题在于，宇宙膨胀的速度到底有多快？这可以说是目前宇宙学研究最重要的问题之一，因为它不仅关系到人类理解宇宙发展的历史，还关系到宇宙的未来，以及推动着宇宙加速膨胀的暗能量的真实身份。
人类已经习惯于通过星光来认识宇宙。通过检查接收到的星光的红移就可以计算出星系远离地球的速度（这也正是哈勃判断出宇宙正在膨胀所使用的方法），但更难的地方是如何测量这些星系距离我们的实际距离，想要知道星系与地球之间的确切距离，就需要对哈勃常数进行精确测量。测量这个常数，人类主要有两种手段，可通过这两种方式得出的数值却并不一致。
天文学家们测量宇宙中天体距离地球的距离，目前最常用的手段就是“标准烛光”（Standard Candle）方法。人们已知某几种天体因为其结构特征比较一致，亮度相当恒定，因而得名“标准烛光” 。当人类通过望远镜观测到这些天体时，因为它们与地球的距离不同，看上去亮度有所差异。通过这种观测到的亮度，再与其在理论上的真实亮度相对比，天文学家就可以计算出这些标准烛光与地球的真实距离。正是利用这种方法，天文学家们测定了哈勃常数的数值：每相隔326万光年（100万秒差距）的距离，星系退行的速度就会增加大约73.5公里/秒。但是在2015年，天文学家们通过在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，而利用这种方法得出的哈勃常数的数值为每相隔326万光年的距离，星系退行的速度会增加大约70公里/秒——两者的差距不可谓不大。
问题到底出在哪里，分歧从何而来？天文学家们认为，或许两种方法都不是非常精确。例如通过“标准烛光”方法来判断天体的距离，虽然在理论上被用作标准烛光的天体亮度值得信赖，但是在地球上进行观测，它的亮度不但会受到距离的影响，而且还会受到天体周围环境的影响。在星光传播过程中受到的宇宙灰尘和气体的干扰，都会降低探测的准确性。而另一方面，通过普朗克卫星探测的宇宙微波背景辐射情况来判断哈勃常数，其理论依据是所谓的“标准宇宙模型”，这个模型囊括了暗能量、暗物质和可见物质，可以说体现了目前人类对宇宙整体状态的认知，但它是否能够准确描述宇宙的全貌？对宇宙状态了解的不充分，同样会影响对哈勃常数的测定。
引力波有什么用用两种方法测量哈勃常数结果却得出了不同的数值，那么怎样才能获得最准确的数值？引力波探测开启了一条新路，这有可能为天文学家提供一个前所未有的精确测量天体距离的手段。可以说，通过引力波探测进行天文学研究，其中最大的用处就在于测量出宇宙膨胀的速度到底有多快，以及宇宙膨胀的历史。人类甚至有可能通过引力波研究得知宇宙究竟为什么膨胀。
实际上，早在30多年前，就已经有天文学家展望人类有可能利用引力波来解决天文学问题。1986年9月，英国卡迪夫大学的天文学家伯纳德舒茨（Bernard Schutz）在《自然》杂志发表论文《通过引力波观测确定哈勃常数》（Determining the Hubble Constant from Gravitat百思特网ional Wave Observations），他在论文中提出，人类可以通过引力波探测来解决一个困扰了天文学家许久的重要问题——宇宙膨胀的速度到底有多快。
这样一篇论文在理论上虽然无可挑剔，但因为当时人们仍然不知道是否真的有可能探测到引力波信号，所以它也就如同屠龙之技，没有太大的实际意义。当引力波信号被发现之后，这篇30多年前的论文的真正价值便体现了出来。通过引力波进行天文学测量，是一种全新的、独立的方法，因此它可以成为判断此前两种方法有效性的一个标准，而且在理论上它的精度可以超过其他方法。