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发信人: emacs (被淹死的鱼), 信区: Science
标  题: 《新疆域》最微弱的波
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月15日16:00:00 星期六), 站内信件


                         最微弱的波

    我们能否设计出可以检测引力波的某种仪器呢？

    按照阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的理论，引力波是
应该存在的。但是，即使它们当真存在，那也过于微弱，以至于从未
被科学家们检测到。科学家们仍在尝试探测引力波，并有可能获得成
功。

    如果我们检测不到引力波，又怎能知道它们的存在？爱因斯坦于
1916年建立了广义相对论，阐明了物质之存在使空间畸变，于是造成
引力。每当物质在空间中重新分布，空间畸变的特征就随之改变，这
样就会造成某种扰动，即某种“引力波”，它以光速朝所有的方向扩
散开去。

    如今，天文学家已相当肯定，广义相对论是正确的，因而引力波
必定存在。例如，地球绕着太阳运行就一定会发出引力波。地球由此
而丧失能量，因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢。

    这样的话，为什么我们检测不到这些引力波呢？答案在于引力乃
是我们所知的最微弱的力。使原子保持为一个整体的电磁力要比引力
强一千万亿亿亿亿（即10^39）倍。我们之所以感受到引力，唯一的原
因乃是地球极其巨大，组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相
当可观。

    因此，引力波是存在于自然界中的最微弱、最不易察觉的波，它
们不会产生我们能够检测到的任何效应。地球因发射引力波而丧失的
能量微乎其微，因而在几十亿年的历程中，它向太阳靠拢的距离简直
微不足道。

    当然，更大规模的质量重新分布将会产生更强的引力波。真正巨
大的质量之重新分布（诸如一颗恒星坍缩成一个黑洞，或者两颗恒星
相撞），或许会产生强得刚好能被检测到的引力波。如果这样的话，
那么一架探测引力波的仪器或许就能为我们提供用任何其他方法都得
不到的信息了——它们表明宇宙中的某处正在发生极大规模的灾变。

    早在20世纪60年代，马里兰大学一位名叫约瑟夫·韦伯（Joseph 
Weber）的科学家已在尝试检测引力波。他使用一些巨大的铝制圆柱体。
如果有一道引力波扫过它，那么某个铝柱就将被压缩和膨胀一段极小
的距离——约为一个原子尺度的千万分之一。尽管如此，最强的引力
波造成的压缩仍有可能大到刚好能被检测到。

    为了确保检测到的当真就是引力波，韦伯用了两个铝圆柱体，一
个位于马里兰，另一个在伊利诺伊州。引力波应该非常长，以至于围
绕整个地球，因而将能同时影响这两个铝柱。韦伯认为他检测到了这
种波，并因此而轰动一时。然而，其他科学家却不能重复这一实验。
看来，尽管韦伯做了很重要的工作，他的仪器却并未精密到足以胜任
此举的程度。

    科学家们并不甘心。用其他方法证实广义相对论的正确性，以及
探究远方重大事件的秘密的意愿，驱使他们继续研制新的“引力波望
远镜”。

    苏格兰格拉斯哥大学由吉姆·霍夫（Jim Hough）领导的一组科学
家正在为研制这类“望远镜”考虑一种颇有希望的设计方案。仪器将
由两根相交成直角的真空管子（所有的空气均已从管内抽出，从而形
成真空）组成。在每根管子中，一束激光将被往返反射不下1000次。
如果管子绝无畸变，那么光波就将步调极其一致地来回反射而绝无差
错。

    然而，如果一道引力波扫过这些管子，那么其中一根管子遭到的
压缩就会比另一根管子稍微多一些，从而使激光束变得步调不一。这
可以被检测出来，人们不仅将能据此推断引力波的存在，而且还能估
算出它的能量，并获得其如何产生的某些信息。

    眼下，格拉斯哥的那些人正在用10米长的管子做试验，以检查激
光束的行为。事情看来颇有希望，但是如果他们有机会探测引力波的
话，那么他们最终所需的乃是长约1000米的管子。这样一架仪器的造
价大约是2500万美元。

    更有甚者，为了可靠起见，就应该在全世界安装四套这样的仪器。
当四套仪器几乎同时受到影响时，就可以确信必定是引力波而不是别
的东西正在影响它们。由于引力波以光速运动，从地球的一端跑到另
一端大约需要二十三分之一秒钟，所以在四个地方探测到的时间会有
微小的差异。研究这种微小的时间差，就有可能确定引力波来自何方。

    现在，研究者们正在为这项如此艰巨的任务努力地筹集着款项。


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