爱因斯坦广义相对论 引力和电磁力有相似之处。例如，也可以用场的概念来描述引力，即任何静止的物质在它周围都存在引力场

引力波的寻找



引力波是根据爱因斯坦的广义相对论作出的奇特预言之一，现代引力波研究已成为天体物理学的一个重要前沿课题。

由普通物理学就可以知道，静止的电荷周围有静电场。当电荷作加速运动时，电场会随着变化，并且产生相应的变化磁场。这个变化的电磁场用波动的形式，以光速向四面八方传播，人们把它称作电磁波。1863年，物理学家麦克斯韦首先从理论上预言了电磁波。1888年，赫兹从实验方面证实了电磁波的存在，从此打开了人类利用电磁波的道路。例如1895年，意大利科孝赛马可尼发明了越洋无线电通信，尔后又广泛地应用于科技，生产和人类家庭生活。

与电磁学的快速发现情况相比，人们对引力构认识显得相当缓慢。引力也叫作万有引力，即所有的物体之间都存在着这种力的作用。任何一个物体，不论是高尔夫球还是地球，都产生一种跟它们的质量成比例的吸引力，物体的质量越大，其引力也越大。关于引力的存在理论，最早是由伽利略和牛顿根据天文学的研究提出来的。

引力和电磁力有相似之处。例如，也可以用场的概念来描述引力，即任何静止的物质在它周围都存在引力场。科学家认为，自然界中只有引力和电磁力是可以远距离起作用的力——习惯上称之为长程力。比起电力来，引力显得太微弱了，例如两个质子之间相互作用的引力，竟比它们间相互作用的电力小36个数量级。换句话说，两个质子之间的引力作用，只及电磁作用的1万亿亿亿亿分之一。

引力的本质是什么？它是不是也以波动的形式向四面八方传播呢？本世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论，其中指出，宇宙中的一切物体的速度不能超过光速，并且揭示了时问和空间的相对性。不久，他又创立丁广义相对论，成功地解决了引力的理论问题。爱因斯坦认为，任何物体作加速运动时，都会辐射出以光速传播的引力波。

几百年来，牛顿被世人公认为是物理学上的权威，他刨立的万有引力定律是人们认识引力的第一座里程碑。但在这个定律中，物体间的引力作用是瞬时(不需要时间)、超距(不需要媒介)地传递的。虽然牛顿本人对此也不满意，此外，牛顿还有方有引力以无穷大的速度传播的理论。而爱因斯坦提出一切物体的速度不能超过光速，显然和牛顿的引力理论发生了矛盾。

引力波检测的开拓者

爱因斯坦在把狭义相对论推广到广义相对论的研究过程中，他不但向世人说明引力是一种场，而且还发现了场方程，而场方程是联系引力物质的质量与时空“弯曲”的程度、性质之间的桥粱。

爱因斯坦认为，物质的分布及运动不仅决定其周商整阊的“弯曲”程度，同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间一起，反过来再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然不能在瞬间完成。

当某一物体作加速运动时，就会以有限的速度逐步影响周围的时空结构，若这种影响以波动方式向空问传播，从而逐点改变着原来已经弯曲的时空，进而影响周围物体的运动。例如激发起其他物体作机械振动等，而那正是引力波的传播。这就好似电荷发生运动变化，引起周围电磁场的变化而产生电磁波一样。

从理论上说，引力场方程一旦建立，立即就提出了这样一个问题，即已知电磁波是麦克斯韦方程组的解，那么引力波能否和电磁波相似地是爱因斯坦引力场方程的解呢？早在1916年，爱因斯坦对引力场方程取近似值后得到了波动解。尔后在30年代，他和罗森曾在场方程中求得严格的柱面波解，于是人们在理论上才倾向于相信引力波存在。引力场方程的波动解表明，时空的波动作为一个独立的实体，以光速在真空中传播。

爱因斯坦曾经提出具体的实验方法来检测射力波，但在许多年中没有人实施过，因为引力波实在是太微弱了。科学家们自然想利用宇宙中的引力波源研究引力辐射。人们知道，遥远的恒星、星系均受到引力作用，而且星球本身也是由于引力克服了巨大的热压力才合为一体的。这些庞大质量的天体的运动，可以形成强烈的引力摄动，而摄动就以引力波的形式向外传播出去。打个比喻吧，它们就像一些猛闯乱窜的摩托艇在水面上所激起一阵阵波涛的情形。l960年，美国马里兰大学物理学教授韦伯博士，首次进行了探测宇宙中引力波的实验。

韦伯设计出一种天线来检测引力波，而且研究出精细的探测方法。这种天线是一根长1.53米、直径0.66米、重达l.4吨的圆柱形铝棒，它悬挂在真空环境中，周围尽可能没有干扰性振动。如果有引力波垂直扫过来时，就会激发铝棒振动。这种振动虽然很微弱，但是可以通过该棒中间附加的压电应变转换器变换为电信号检测到。实际上，这根棒是根据爱因斯坦曾提出的实验方法设计的，但是人们还是习惯于称之为韦伯杆。

为了确定铝棒的振动不是因为当地发生波动或是由车辆开过时发生震动而产生的，韦伯教授又在1000公里之外芝加哥附近的阿岗国家实验室，安装了一个类似的仪器。他想，假如有一个引力波扫过整个太阳系的话，那么两台仪器都会同时发生同样的反应。1969年6月16日，韦伯在《物理评论快报》上发表文章，宣布他和他的同事们探测到了一些可能是引力波的现象，因为在他们的两台仪器上，观察到了两个巧合的现象。韦伯还声称发现了100个左右的符合脉冲。

除去引力波之外，韦伯仔细地研究了所有可能引起这些脉冲的因素，其中包括太阳耀斑、雷电、人为的无线电信号、电活动以及地震波。但是他发现所有这些现象似乎和上述脉冲都无关系。韦伯的报告引起了世界科学界的兴奋和关注，科学家们纷纷进行类似的实验。譬如在美国纽约北部的罗彻斯特，在德国以及苏联，结果发现当年韦伯检测到的并不是引力波，因为有的实验的灵敏度超过韦伯的探测仪器，但都没有再发现类似的符合脉冲．

引力波的间接证据

韦伯的初次实验后大约10年，即1978年，科学家在探索引力波的历史上开创了一个崭新的局面。事情要从l974年说起，那一年，美国马塞诸萨大学的天文学家泰勒等人，使用波多黎各阿雷西博天文台的世界上最大的射电望远镜，在研究脉冲星的过程中，发现在双星里至少有一颗伴星是双星脉冲星。取名为PSRl913十16的脉冲伴星，由具有1.4倍的太阳质量(仍然是中子星)或作为黑洞的伴星组成，绕着公共重心以约8小时的周期轨道运转。虽然该双星系统的两颗星中仅有一颗是脉冲星，但经过对其轨道进行的研究表明，它的另一颗伴星也是中子星。泰勒及其合作者测定了这颗脉冲星的信号到达地球的时间，从而以极高的精确度绘出了两颗中子星的轨道。

脉冲星在绕轨道运转时，因多普勒效应使脉冲发生异常，由此可以推算出其轨道周期。从l974-1978年这段时期，泰勒等密切地注视，不断地观测这一对双星脉冲星。为什么它们这么吸引人呢？因为它们具有这样的特性：信号脉冲周期很短，是双星系统的一员，运动速度高达光速的l／l000，轨道偏心率也很大，再加上相当强的引力场。泰勒认为，如果一个天体靠近另一个很大质量的星体运转，产生引力波，运转轨道将会因所特有的能量损耗而渐渐变小，轨道周期也会缩短。

前面说过，这个双星系统的公转周期约为8小时，实际上，泰勒他们在具体观测中是以秒来计数的，精确的周期被定为是279.9817±O．0005秒，可见，精确度是足够高的。经过4年的辛勤观测，他们确认，这对双星互相绕转的周期缩短了0.000414移，也就是说，周期每年缩短了万分之一秒。这个数值，与由于发出引力波而损耗能量使得周期缩短的预期值，符合得很好。它表明，这颗脉冲星确实发出了携带能量的引力波。理论与实验问的一致性给人们以极大的鼓舞，因为引力波终于第一次被间接地证实了，虽然也有人怀疑，认为这个双星系中的另一伴星，一旦有其他质量损耗，也会产生同样的效应。但从此以后，有关引力波是否存在的争论逐渐趋于平息。

要最终证实引力波的存在，还得用直接的方法来找到它。因为一颗大质量恒星以明亮的超新星爆发形式崩溃而死亡时，它的核心就突然坍缩成一颗中子星，这时会伴随着发出强烈的爆发性引力波。科学家们对星体坍缩过程细节的认识还远不完善，但可能有多达1／1000的中子星质量转化成了引力波。银河系的超新星爆发大约每30年发生一次，它可能在地球上引起1／l018左右的应变量。

超新星辐射的引力波如果被检测到，将具有深远的影响。人们可以致力于检测来自超新星坍缩内核的引力波的到达时间，以及它与来自恒星爆炸外壳的光波的到达时间问隔。如果引力波与光波同时被检测到，就直接证明了爱因斯坦相对论关于引力波传播速度等于光速的预言。

根据引力波产生的空间畸变，近年人们研制出两种引力波检验器，一种是对自由质点间距离的变化，用激光干涉仪测定，称为激光干涉仪；另一种是利用引力波的弹性振动和共振时较大的位移，称为共振型检验器。现在，世界上很多科研团体正在进行这两种检验器的改良工作。在国际天文学联合会上，已提出了建设具有恒定作用的引力波天文台的倡议，人们还期望于21世纪，在宇宙空间构筑成高性能的引力波天文台。

说到这里，也许有人还要提问，为什么许多科学家要花很大的精力和时间去探索这种非常难以捉摸的引力波呢？这个问题可以用一部简明的自然科学发展史来回答，即一个正确的科学理论的问世，必然给人类带来新的科学技术和工业技术的发展。可以想象，一旦引力波被人类直接探测到，将进一步证实广义相对论的正确性，使人类最终弄清所谓四种相互作用的本质，在实现大统一的相互作用理论的道路上迈进一大步。近年来，人们还设想和研制了有关发生和检测引力波的装置，并且成功地实现了一长一短的莫尔斯电码的发送和接收，为人类利用引力波通信展现了美好的发展前景，尽管需要解决的课题还很多，任务还很艰巨。



原作：李 良