引力波鮮爲人知的兩個效應，你知道多少？

引力波是愛因斯坦的廣義相對論所預言的一種時空自身的波動。原則上說，任何有質量的物體運動起來都能產生引力波。但引力波太微弱了，一般來說只有當像兩個黑洞相撞這樣暴烈的事件發生時，其引力波才能被我們探測到。而且，由於這類事件的發生地點距離我們太遙遠，引力波傳到地球已經極其微弱，所以探測引力波需要高度靈敏的儀器。

不過，這已難不倒我們。自2016年首次探測到引力波以來，如今探測引力波對於我們已經是家常便飯，幾乎每週都能探測到一次，因此單純探測引力波已經沒有什麼新意。

與此同時，廣義相對論還預言了兩個更微弱的引力波效應，其中一個甚至還暗示，引力波或許可用來尋找暗物質。所以，探測這兩個引力波效應纔是新鮮事。

時空會“記住”引力波

其中一個叫引力波的記憶效應。這是什麼意思呢?我們稍加說明一下。

我們知道，引力波是一種波動，所以它跟水波、聲波、電磁波一樣，都有着波的一切特點，比如要有振動源、有周期性等。但引力波又不同於其他的波，它是時空自身的波動，所以它有自身的特點。當水波傳過一塊水域之後，這塊水域會恢復到之前的狀態。可是，引力波傳過一個地方之後，將會永久地改變這個地方的時空結構。這就是所謂的“記憶效應”。

以探測引力波的激光干涉儀引力波探測器(LIGO)爲例。LIGO有兩條相互垂直且等長的臂L1和L2。你可以將它們想象成是一個圓的兩條相互垂直的半徑，圓心位於兩臂的交匯處。當引力波傳來時，將週期性地扭曲這個圓：一會兒垂直方向被拉長，水平方向受擠壓;一會兒水平方向被拉長，垂直方向受擠壓;如此等等。於是，在引力波通過期間，兩臂的長度差將會來回變化。這個變化會被LIGO探測到，從而證明有引力波通過。可是，等引力波過去之後，L1和L2不再恢復到等長，而是會有微小的長度差，具體差多少取決於引力波的最後一次振盪。這就是引力波的記憶效應。

其實，當引力波通過之後，不只是LIGO的兩條臂長會有微小的差別，由於引力波是一場巨大的波在宇宙中的蔓延，因此通過地球時，每個人的身體都會發生永久的輕微變形。

探測引力波的記憶效應

很遺憾，這種效應是極其微弱的。以LIGO首次探測到的引力波爲例。該引力波來自近13億光年外，可能涉及兩個黑洞以接近光速相撞。在幾分之一秒內，黑洞相撞將相當於三倍太陽的質量轉化爲引力波的能量，其最大輸出功率大約是整個可見宇宙輸出功率(宇宙所有星球在一秒內輻射的總能量)的50倍。但即使是這樣，這些引力波也僅導致LIGO兩條4千米的臂，長度振盪了大約一個質子直徑的千分之一。而在這個事件中，預計引力波記憶效應只有引力波幅度的二十分之一。換句話說，只改變LIGO的4千米長臂大約一個質子直徑的二萬分之一。

以LIGO目前的靈敏度還不足以探測一個黑洞碰撞事件所產生的引力波記憶效應。不過，天體物理學家想出一個變通的辦法：如果多個黑洞碰撞事件的引力波記憶效應相互疊加，或許能讓它變得容易探測。他們估計，只要積累1000個引力波事件就夠了。而根據目前探測引力波的速度，這個目標未來幾年內就能夠實現。

另一種辦法是用原子鐘。引力波記憶效應將永久地改變某些地方的時空結構，根據廣義相對論，彎曲程度不同的空間，時間流逝的快慢也不一樣。因此，把兩個事先校對好嚴格同步的原子鐘分別移到空間兩處，由於引力波記憶效應，這兩處空間的彎曲程度不同，所以一個鐘顯示的時間也許會比另一個鐘的慢。讀數的細微差別有可能揭示引力波的記憶效應。

引力波的延遲效應

除了記憶效應，引力波還有延遲效應。

我們都知道，當光穿過透明介質時，速度會放慢。假如兩條光線A和B從同一地點同時出發，A一直在真空中傳播，B則中途穿過一個透明的物體，當它們在某個終點相聚時，顯然B比A要有一個延遲，延遲時間跟透明介質的性質有關。

引力波也一樣。當引力波遇到一個有質量的天體時，它也會速度變慢，到達我們的探測器會有一個延遲，延遲時間則跟天體的密度、厚度等性質有關。這叫引力波的延遲效應。

不過，同樣遺憾的是，這種效應也是非常微弱的。以目前LIGO的靈敏度，還很難探測。

儘管如此，假如引力波的延遲效應真實存在，那是令人興奮的。正如X射線因爲可以穿透人體的某些組織，所以藉助它能讓我們窺見人體的骨骼結構一樣。由於引力波穿透不同密度的天體時會有微弱的變化，它或許能爲我們提供一個機會，一窺中子星或其他奇特的宇宙天體的內部結構。

尤其是，如果暗物質(一種被認爲佔宇宙全部質量約80%的神秘物質)以大質量天體的形式存在，這種方法甚至可以幫助天文學家探測其性質。而我們知道，由於暗物質與普通物質沒有電磁作用，所以所有基於電磁波工作的望遠鏡對它都無可奈何。

目前，理論科學家正與實驗科學家合作，試圖弄清如何能夠識別引力波的延遲效應，以及它能告訴我們哪些有用的信息。

你瞧，發現引力波僅僅是第一步，這個領域，還有好多事情要做。