引力波之谜：追寻物理本质，探寻宇宙初生的啼哭

引力波之谜

宇宙初生时的“啼哭”

关于万有引力的本质是什么，牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是另外一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，是广义相对论的一项重要预言。2009年8月20日，一个国际科研小组在新一期《自然》杂志上报告说引力波“出没范围”被锁定，爱因斯坦预言或将成真。

地面引力波天文台LIGO

1916年，爱因斯坦广义相对论的问世，提出了崭新的引力场理论。他认为由引力造成的加速度，可以同由其他力造成的加速度区分开来。这个命题就是爱因斯坦的等价原理，即一个加速系统与一个引力场等效。我们设想，一个人在远离地球的太空中乘一架升降机上升，上升的加速度为9.8米／秒的平方，由于速度变化产生了阻力，这个人双脚会紧紧压在升降机的底板上，就像升降机停在地球表面上不动一样，但无法说明他所受到的是引力还是惯性。因此，牛顿所说的万有引力，在爱因斯坦看来，根本不是什么引力，而是时空的一种属性。在这种成曲线的四维时空连续体中，根本不需引力。天体是按自己应有的曲线轨道运行的。1918年，爱因斯坦根据引力场理论预言有引力波存在。他认为高速运动着(加速运动)的物质会辐射引力，引力波就是这种引力的载体，就像光波是电磁力的载体一样。引力波的速度与真空中的光速相同。例如，在太阳和地球之间就是靠引力波传递引力子而实现相互作用的。因此，引力波存在与否，是广义相对论的又一个关键性验证。引力波非常微弱。据计算，用一根长20米、直径1.6米、重500吨的圆棒，以28转／秒的转速绕中心转动，所产生的引力波功率只有2.2×10^-29瓦；一次17000吨级核爆炸，在距中心10米处的引力波充其量也只有10^-16瓦／厘米的平方。因此，引力波在目前还无法直接测量。按照爱因斯坦的理论，自然界也应存在引力波，正如电荷的运动会产生电磁波一样，物体的运动也会产生引力波，引力波的传播速度为光速。这是电力与引力间又一个重要的相似特性。但只有宇宙中具有巨大质量(几倍于太阳质量)的运动天体才可能产生强烈的引力波。

天体引力波(www.xing528.com)

引力波是爱因斯坦在广义相对论中提出的，即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。通俗地说，可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波。但是，只有非常大的天体才会发出较容易探测的引力波，如超新星爆发或两个黑洞相撞时，而这种情况非常罕见。因此，相对论提出一百多年来，其“水星进动”和“光线偏转”等重要预言被一一证实，而引力波却始终未被直接探测到。引力波有宇宙初生时的“啼哭”之称，它自宇宙诞生后便一直四散传播，现在可探测到的余响能量非常小，被称为“随机引力波背景”。在“激光干涉引力波观测台”中，科学家便是努力在长达4千米的激光光线中，寻找“随机引力波背景”带来的比一个原子核还小的扰动。引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。

虽然引力辐射并未被清清楚楚地“直接”测到，然而已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星（或称波霎）双星系统PSR1913+ 16的观测。这系统被认为具有两颗中子星，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。其并且呈现了渐进式的旋近，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。对于这样的观测，最简单(也几乎是广为接受)的解释为：广义相对论一定是对这种系统的重力辐射给出了准确的说明才得以如此。泰勒和赫尔斯因为这些成就共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。1959年，美国马里兰大学教授韦伯发表了证实引力波存在的消息，这引起了世界物理学界一阵狂热的激动。事情是这样的，韦伯等人制造了6台引力波检验器，分别放在不同地点进行长期的检波记载。结果发现在各台检波器上都记录到一种相同的、不规则的“扰动”，并证明它并不是由声学振动、地震、电磁干扰或宇宙线干扰等引起的，因此，他们认为“不能排除这就是引力波”。之后，许多国家的科学家采用各种方法企图证实宇宙深处的同样“来客”，但终未得到肯定的结果。

最早动手检测引力波的是美国马里兰大学的物理学家韦伯博士。20世纪60年代他建立了世界上第一套引力波检测装置：一根长153厘米、直径61厘米、重约1.3吨的圆柱形铝棒——后人称之为韦伯杆，横搭在由两个铁柱子支着的钢丝上。铝杆质量虽大，钢丝却几乎无丝毫振动。韦伯推测，铝杆若能接收到来自太空的一束强引力波，就会摆动起来，但摆动很可能是很轻微的，他估计摆动幅度可能只有原子核直径10¹⁵米那么大，附近卡车开过等引起的地面震动均可能导致韦伯杆产生如此幅度的振动。为确认检测的确实是引力波，他还在1000千米之外的芝加哥阿冈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，则两个仪器都会同时做出同样的反应。1969年6月，他宣布检测到了引力波。但后来科学家用更精确的仪器再也未检测到，现在一般认为，韦伯的实验结果有误。

电磁波

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可以说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场也会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。