回旋的黑洞产生引力波(示意图)。LIGO / T. Pyle
时间过得太快,人类第一次探测到引力波竟然已经是四年前的事了。2015年,LIGO首次感知到时空因遥远深空中一对黑洞的合并而发生的波动。前不久,EHT就已经直接拍摄到了黑洞的外貌。这两者之间虽然没有直接关联,但也不免让人感慨,人类的科技发展竟然如此神速。
事实上,这四年中LIGO也在不断改进。现在,它平均每星期都会探测到一次引力波事件。那么这么多的引力波在宇宙中传递,是否会对时空产生后续影响?
4月25日发表在《物理学评论》D卷上的一篇论文认为,时空会留下某种对引力波的“记忆”,亦即引力波会导致所经时空在较长一段时间内发生改变。
这种改变比引力波本身要微弱得多,但会在较长时间内存在。时空中的物体可能会因此发生空间上的位移,而不同地点的时间也有可能因此不同步。在地球表面两处不同的地点,时间流逝的速度有可能会变得不一样。
LIGO引力波天文台汉福德观测站。LIGO Scientific Collaboration
这种改变非常微小,一般很难检测出来。但也不是没有办法。最可行的方法,是观察现有引力波传感器中反射镜的微小位移。
当前的引力波检测方式,是基于一条十分稳定同时又非常长的激光束。引力波的经过,会导致激光束发生微弱颤动,从而被传感器捕捉到。
引力波留下的时空位移虽然比引力波本身还要微弱,但是日积月累,就会导致传感器的反射镜发生可感的偏差。通过数学模型,我们可以预知反射镜在引力波经过后会发生多少偏差。
除了这个方法,我们还可以通过观察原子钟的读数和粒子的自旋,来感知这种长期效应。
分置两处的原子钟在被引力波扫过后会因时间膨胀效应而发生偏差,一处走得慢,一处走得快。时间读数上的差异能够反映本地宇宙对引力波的“记忆”。
自旋的粒子在引力波扫过后也会改变行为方式。我们可以在封闭容器内,测量一组粒子的自旋速度和方向,引力波扫过后再进行测量,两次结果之间的差异就是时空对引力波的“记忆”。
研究时空中的引力波“记忆”,亦即那些因引力波而发生的时空“错位”,可能会成为引力波研究中的一个新方向。感兴趣的朋友可以阅读参考链接中的论文。
质量能够弯曲时空。质量越大,弯曲得越厉害。因此当拥有质量的物体在时空中运动时,就能够搅动时空,产生引力波。T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab
参考:
Persistent gravitational wave observables: General framework
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.99.084044