Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第十八章　引力光
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:24:57 星期天), 站内信件


    我必须向爱因斯坦先生提一个问题：在您的理论里引力作用是以多大的速度传
播的？

    　　　　　　　　　　　　　　　　　　--H克斯·玻恩（1913）

    牛顿理论中的引力是一种在物体之间瞬时地作用的力，如本书前面所述，这个
思想是包括牛顿本人在内的众多物理学家所不能接受的。一个世纪后拉普拉斯对牛
顿理论作了修改，使引力作用以有限速度传播。但是这个主意很快就被抛弃了，因
为它提出了一个无人能回答的问题：如果一个物体受到激烈抗动，它的引力场就必
须在很短时间里作出调整，以与该物体的新构型相一致，那么这种调整是怎样传播
的呢？

    爱因斯坦广义相对论给出了一幅引力传播的自洽图像。爱因斯坦给自己提出的
问题是，一个加速运动的质量是否能辐射引力波，正如一个加速运动的电荷能辐射
电磁波一样。他在1918年得到的引力场方程的解表明，时空曲率波以光速行进，他
发明出了～种"引力光"。

    引力波与电磁波之间的类比对于理解现象背后的本质是有帮助的，但也并不很
大。引力波的结构及其对物质的作用都比电磁波复杂得多。第一个重要的差异是，
引力只是吸引；质量，或称为"引力荷"，总是具有同种符号，由此造成的结果是，
一个基本的引力"振子"，即在一根弹簧两端振荡的两个质量，就不会辐射出与两个
异号电荷产生的同样类型的波（电磁辐射是偶极的，而引力辐射是四极的，引力振
子中的每一个质量都单独地是一个偶极子，不能产生引力波）。

    另一个复杂性是，引力子，即假设的引力波的传媒粒子，有着与其能量相对应
的"引力荷"；而光子，即电磁作用的传媒粒子，却没有电荷。于是，由加速质量所
产生的引力波本身又是一个引力源，引力又产生引力。用专业术语说，这叫做"非
线性"。非线性甚至给看来是最简单的问题的解决都带来很大的困难，如像对两个
运动物体所产生的引力场的计算。与电磁场不同，如果两个质量各自产生一个引力
场，则它们的合引力场并不是各自引力场的相加，而是还必须考虑两个质量相互作
用的引力，而这是随着它们的运动而不断变化的。这就是为什么"两体问题"（例如
双星系统的引力场）的牛顿解很容易计算出来，而在广义相对论里却不能得到严格
解的道理。

    如果引力场足够地弱，则"非线性"可以被忽略，问题得以简化。这种做法在试
图探测遥远源的引力辐射时是适用的，但是，这种简化的方程不能运用于超新星或
两个相碰撞黑洞的附近区域。

    引力波与电磁波之间的第三点根本差别是它们的相对强度。两个相隔一厘米的
质子，既有质量也有电荷，因而既有引力相互作用也有电磁相互作用，但它们相吸
引的引力要比相排斥的静电力小103'倍（原子核里把两个质子拉在一起的核力又比
电磁力强100倍）。这就是探测引力波的主要障碍。赫兹在实验室里产生和接收电
磁波，是在麦克斯韦预言其存在之后仅仅10年；爱因斯坦预言引力波的存在已有
70年了，而引力波还没有被探测到。

    可以再举几个例子来说明通常条件下引力波的极端微弱性。先看一个具体的基
本引力振子：一根10厘米长的弹簧两端各有一个1千克的质量，它们每秒钟振荡
100次，振动范围为1厘米。假设这个系统所释放的引力能全都转化成电能，则为着
点亮一只扣瓦灯泡所需要的这种振子的数目，将比组成地球的全部基本粒子的数目
还要多。

    另一种形式的引力振子是让一棍棒绕通过其中心的垂直轴在水平面上旋转。在
视线沿旋转面的观测者看来，棒的投影长度在不断变化，棒表现出交替地缩短和伸
长，这种运动也产生引力波。一根长20米、重500吨的钢律以其强度极限内的最大
速度旋转，即每秒钟转5周，所释放的引力能仍是小得可笑：10"'瓦。

    也许还是离开实验室，寻找太阳系里的自然引力源为好，但是情况仍不能令人
鼓舞。五百亿颗直径为1公里的陨星，以每秒10公里的速度落向地球时所产生的引
力波能量，才能点亮一只灯泡。当然，没有人还能活着看到这个结果。

    在通常的天体中寻找引力源是无济于事的。为产生不可忽略的引力波，恒星必
须以接近于光速的速度运动，并且高度致密，即其半径接近于史瓦西半径。地球绕
太阳公转的速度是周公里／秒，半径是其史瓦西半径的10亿倍，产生的引力能只有
0．001瓦。

    贯穿本书始终的"相对论"星，至少能够短暂地具备有利于引力光发射的条件。
它们在发生最剧烈的变动时能成为很好的引力波源。由于这些星都离得很远（假如
是在地球附近，所有的生命就会荡然无存），它们的引力能只有极小一部分能够到
达地球。

    致密星系统是理想的引力波源。一对靠得很近的中子星能够辐射足够强的引力
能，由此产生的效应能被间接地探测到，因为轨道运动能量的丢失会由转动周期的
缩短反映出来。双星脉冲星PSR1913＋16是这种现象的一个极好例证，而且可能是
目前仅有的引力波的观测证据（见"脉冲双星的大贡献"一节）。

    对单个恒星来说，标志其热核生涯终结的激变事件可以成为强大的引力辐射源
泉，导致中子星形成的超新星就是极其有效的释能事件。恒星在其坍缩的最后几秒
钟所发射的引力能，比它在热核生涯的几百万年中所释放的电磁能还要多。但是，
与发射周期性的引力波并被称为"引力脉冲星"的双星系统不同，超新星是～种"冲
动"源，只产生～次短暂的引力辐射爆发。

    谈论引力最后总是回到黑洞，黑洞是超优美的相对论星，是最丰富的引力辐射
源。恒星完全球对称地坍缩成为黑洞的过程并不产生任何引力波（见第11章），但
是真实的恒星是旋转的，总有不对称的运动，从而有引力光的发射。黑洞"婴儿"的
第一声"啼哭"就是引力光的闪耀，释放的能量与其静质量能量相当。两个10Mpe量
的黑洞相碰撞所产生的弓I力光度，比最强大的类星体的电磁光度还要大1亿倍。如
果这样一个事件发生在1万光年之遥的银河系中心，到达地球的能流将是可探测的
。

    一门研究引力光的新天文学正在诞生，这将是具有无可比拟的透明性的天文学
。这是因为，与电磁辐射不同，引力辐射并不被物质吸收，因而来自遥远源的辐射
就能不损失任何所携带的信息而到达地球。另外，对于最强的引力辐射源，即中子
星对、超新星核心和黑洞，电磁观测所能揭示的信息极少，而且只能以间接的方式
。因此，引力天文学将打开一扇通往一个更神秘的宇宙的新窗口，不仅揭示出关于
致密星和超密物质的未知性质，而且告诉我们宇宙150亿年前开端时的情况。不断
地被密度涨落所搅"动的原初宇宙，以及大爆炸本身，都是强大的引力辐射源。即
使在大爆炸后的头100万年里没有电磁波射出，引力辐射仍能不受妨碍地穿过原初
宇宙的最高密度区域，或许只有引力光能够提供黑洞存在和宇宙诞生的确定证据。


    再回到地球。望远镜是用来捕获光的，那么又怎样建造～个引力望远镜呢？原
理很简单。正如电磁波引起接收天线振荡一样，引力波也使相遇的物质以一定方式
振荡，"曲率皱纹"使时空的弹性织物出现轻微波动，时空距离发生伸长或缩短。例
如，如果探测器是一块固体物质，当引力波穿过时该物体的不同部分就会沿不同方
向有所移动，即出现形变（必须注意，引力波总能穿过任何物体。无论是多么坚硬
的物体，都不可能完全不发生形变）。

    物体中两点之间的间隔在引力波作用下发生的变动能给出波的振幅，而波的振
幅是其能量的直接量度。银河系中心两个恒星级黑洞的碰撞将会使一个1米长的律
形探测器两端发生10－''（一万亿分之一）毫米的移动。引力波探测器的建造因而
是对科学家们的一个技术挑战。

    马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）在60年代制造了一个很大的铝质
圆柱，预期其长度会在来自银心的引力波作用下发生振荡。他认为自己已经得到了
肯定的结果，但是在世界上其他许多地方所作的类似实验表明，他对实验误差所作
的解释是不正确的。铭心的一次超新星爆发所产生的波的振幅是10－"毫米，而韦
伯的装置能探测的振幅要比这大1万倍。另外，对银心超新星的探测还有一个问题
：银心的超新星是每10年1个，而爆发过程中的引力暴只持续不到1秒钟的时间。

    最有希望探测到引力波的场所是室女座星系团，那里有几千个星系聚集在天空
中一个很小的视角范围里，超新星爆发和双脉冲星周期的衰减所发生的频率大约是
每星期一次。但是室女座星来团的距离并不像银心那样是1万光年，而是5000万光
年。这意味着，要探测到那里的一个超新星的引力光，引力望远镜就必须比能探测
铭心类似事件的那种灵敏100万倍。值得注意的是，1987年2月大麦哲伦云中的超新
星爆发（见第6章）的距离"仅"是17万光年，应当能发射出足够强的引力波，被两
个或三个探测器接收到--如果探测器在开动着的话。但是那天它们全都在检修！

    尽管有这些恼人的技术困难，引力波的探测仍有可能在本世纪末获得突破。自
韦伯以后已经取得了许多技术进展，目前世界上共有八个研究组在使用着第二代棒
形探测器。这种探测器更敏感也更昂贵，因为是用钢或蓝宝石这样的稀有材料制造
的，并且要冷却到只有绝对零度以上几度的温度。

    另一条更有希望的途径刚刚被开辟，其原理是测量两面大质量镜子之间距离的
振荡。这两面镜子放在长支架的端点上，它们的距离用一个光干涉仪系统来检测。
这实际上是一种修改的麦克尔逊一莫雷实验（见第2章），但不再是用来测量以太
的绝对运动，而是测量时空的抖动。镜子之间的距离越大，从系统内部的"背景噪
声"（由地震波、声波等等所引起）检测出引力信号的效应的机会也就越大。制造
出极高质量的镜子，使之能实现接连几百次光反射，则当镜子之间的实际距离是3
公里时能得到的等效距离是150公里。

    这种干涉议的天线还本制造出来，但各种预备实验已在进行之中：一个美国的
项目，一个英、德联合项目，还有一个名为"室女座"的法、意联合项目（因为室女
座星系团是主要探测目标）。所需的经费比一次航天飞机或卫星发射，或是比波斯
湾战争中半个小时的费用都要少。然而，引力天文学，由于缺乏观测证据，难以获
得经费倒成了当然的事。相对论天体物理学家们仍在焦急地期待着获得资助来打开
宇宙的又一扇神秘的窗户。近代天文学史已经证明，每次当我们用肉眼或照相机以
外的眼睛（射电望远镜、X射线和伽玛射线探测器）来观察天空时，总会发现新的
奇迹，从而迫使我们更新自己的思想，加深我们对宇宙的认识。

    宇宙的引力窗口迟早将会开启。当第一批引力信号被探测到时，关于辐射源的
运动和性质的信息仍将被背景噪声所淹没。然而，下一世纪必将是引力天文学的世
纪，在这一信念支持下，我们或许会试图把巨大的引力干涉仪发射到空中，使之摆
脱地球的和人类的种种干扰。

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