引力光

天文學史已經證明，每次當我們用肉眼或照相機以外的眼睛（射電望遠鏡、X射線和伽瑪射線探測器）來觀察天空時，總會發現新的奇蹟，從而迫使我們更新自己的思想，加深我們對宇宙的認識。宇宙的引力視窗遲早將會開啟。當第一批引力信號被探測到時，關於輻射源的運動和性質的信息仍將被背景噪聲所淹沒。然而，下一世紀必將是引力天文學的世紀，在這一信念支持下，我們或許會試圖把巨大的引力干涉儀發射到空中，使之擺脫地球的和人類的種種干擾。

基本介紹

• 中文名：引力光
• 外文名：The gravity of light
• 提出者：愛因斯坦

簡介

牛頓理論中的引力是一種在物體之間瞬時地作用的力，如本書前面所述，這個思想是包括牛頓本人在內的眾多物理學家所不能接受的。一個世紀後拉普拉斯對牛頓理論作了修改，使引力作用以有限速度傳播。但是這個主意很快就被拋棄了，因為它提出了一個無人能回答的問題：如果一個物體受到激烈抗動，它的引力場就必須在很短時間裡作出調整，以與該物體的新構型相一致，那么這種調整是怎樣傳播的呢？

愛因斯坦廣義相對論給出了一幅引力傳播的自洽圖像。愛因斯坦給自己提出的問題是，一個加速運動的質量是否能輻射引力波，正如一個加速運動的電荷能輻射電磁波一樣。他在1918年得到的引力場方程的解表明，時空曲率波以光速行進，他發明出了一種“引力光”。

複雜性

引力波與電磁波之間的類比對於理解現象背後的本質是有幫助的，但也並不很大。引力波的結構及其對物質的作用都比電磁波複雜得多。第一個重要的差異是，引力只是吸引；質量，或稱為“引力荷”，總是具有同種符號，由此造成的結果是，一個基本的引力“振子”，即在一根彈簧兩端振盪的兩個質量，就不會輻射出與兩個異號電荷產生的同樣類型的波（電磁輻射是偶極的，而引力輻射是四極的，引力振子中的每一個質量都單獨地是一個偶極子，不能產生引力波）。

另一個複雜性是，引力子，即假設的引力波的傳媒粒子，有著與其能量相對應的“引力荷”；而光子，即電磁作用的傳媒粒子，卻沒有電荷。於是，由加速質量所產生的引力波本身又是一個引力源，引力又產生引力。用專業術語說，這叫做“非線性”。非線性甚至給看來是最簡單的問題的解決都帶來很大的困難，如像對兩個運動物體所產生的引力場的計算。與電磁場不同，如果兩個質量各自產生一個引力場，則它們的合引力場並不是各自引力場的相加，而是還必須考慮兩個質量相互作用的引力，而這是隨著它們的運動而不斷變化的。這就是為什麼“兩體問題”（例如雙星系統的引力場）的牛頓解很容易計算出來，而在廣義相對論里卻不能得到嚴格解的道理。

問題簡化

如果引力場足夠地弱，則“非線性”可以被忽略，問題得以簡化。這種做法在試圖探測遙遠源的引力輻射時是適用的，但是，這種簡化的方程不能運用於超新星或兩個相碰撞黑洞的附近區域。

引力波與電磁波之間的第三點根本差別是它們的相對強度。兩個相隔一厘米的質子，既有質量也有電荷，因而既有引力相互作用也有電磁相互作用，但它們相吸引的引力要比相排斥的靜電力小103’倍（原子核里把兩個質子拉在一起的核力又比電磁力強100倍）。這就是探測引力波的主要障礙。赫茲在實驗室里產生和接收電磁波，是在麥克斯韋預言其存在之後僅僅10年；愛因斯坦預言引力波的存在已有70年了，而引力波還沒有被探測到。

可以再舉幾個例子來說明通常條件下引力波的極端微弱性。先看一個具體的基本引力振子：一根10厘米長的彈簧兩端各有一個1千克的質量，它們每秒鐘振盪100次，振動範圍為1厘米。假設這個系統所釋放的引力能全都轉化成電能，則為著點亮一隻扣瓦燈泡所需要的這種振子的數目，將比組成地球的全部基本粒子的數目還要多。

另一種形式的引力振子是讓一棍棒繞通過其中心的垂直軸在水平面上旋轉。在視線沿旋轉面的觀測者看來，棒的投影長度在不斷變化，棒表現出交替地縮短和伸長，這種運動也產生引力波。一根長20米、重500噸的鋼律以其強度極限內的最大速度旋轉，即每秒鐘轉5周，所釋放的引力能仍是小得可笑：10”’瓦。

也許還是離開實驗室，尋找太陽系裡的自然引力源為好，但是情況仍不能令人鼓舞。五百億顆直徑為1公里的隕星，以每秒10公里的速度落向地球時所產生的引力波能量，才能點亮一隻燈泡。當然，沒有人還能活著看到這個結果。

在通常的天體中尋找引力源是無濟於事的。為產生不可忽略的引力波，恆星必須以接近於光速的速度運動，並且高度緻密，即其半徑接近於史瓦西半徑。地球繞太陽公轉的速度是周公里/秒，半徑是其史瓦西半徑的10億倍，產生的引力能只有0．001瓦。

貫穿本書始終的“相對論”星，至少能夠短暫地具備有利於引力光發射的條件。它們在發生最劇烈的變動時能成為很好的引力波源。由於這些星都離得很遠（假如是在地球附近，所有的生命就會蕩然無存），它們的引力能只有極小一部分能夠到達地球。

引力波源

緻密星系統是理想的引力波源。一對靠得很近的中子星能夠輻射足夠強的引力能，由此產生的效應能被間接地探測到，因為軌道運動能量的丟失會由轉動周期的縮短反映出來。雙星脈衝星PSR1913+16是這種現象的一個極好例證，而且可能是目前僅有的引力波的觀測證據（見“脈衝雙星的大貢獻”一節）。

對單個恆星來說，標誌其熱核生涯終結的激變事件可以成為強大的引力輻射源泉，導致中子星形成的超新星就是極其有效的釋能事件。恆星在其坍縮的最後幾秒鐘所發射的引力能，比它在熱核生涯的幾百萬年中所釋放的電磁能還要多。但是，與發射周期性的引力波並被稱為“引力脈衝星”的雙星系統不同，超新星是一種“衝動”源，只產生一次短暫的引力輻射爆發。

黑洞

談論引力最後總是回到黑洞，黑洞是超優美的相對論星，是最豐富的引力輻射源。恆星完全球對稱地坍縮成為黑洞的過程並不產生任何引力波（見第11章），但是真實的恆星是旋轉的，總有不對稱的運動，從而有引力光的發射。黑洞“嬰兒”的第一聲“啼哭”就是引力光的閃耀，釋放的能量與其靜質量能量相當。兩個10Mpe量的黑洞相碰撞所產生的弓I力光度，比最強大的類星體的電磁光度還要大1億倍。如果這樣一個事件發生在1萬光年之遙的銀河系中心，到達地球的能流將是可探測的。

一門研究引力光的新天文學正在誕生，這將是具有無可比擬的透明性的天文學。這是因為，與電磁輻射不同，引力輻射並不被物質吸收，因而來自遙遠源的輻射就能不損失任何所攜帶的信息而到達地球。另外，對於最強的引力輻射源，即中子星對、超新星核心和黑洞，電磁觀測所能揭示的信息極少，而且只能以間接的方式。因此，引力天文學將打開一扇通往一個更神秘的宇宙的新視窗，不僅揭示出關於緻密星和超密物質的未知性質，而且告訴我們宇宙150億年前開端時的情況。不斷地被密度漲落所攪”動的原初宇宙，以及大爆炸本身，都是強大的引力輻射源。即使在大爆炸後的頭100萬年里沒有電磁波射出，引力輻射仍能不受妨礙地穿過原初宇宙的最高密度區域，或許只有引力光能夠提供黑洞存在和宇宙誕生的確定證據。

再回到地球。望遠鏡是用來捕獲光的，那么又怎樣建造一個引力望遠鏡呢？原理很簡單。正如電磁波引起接收天線振盪一樣，引力波也使相遇的物質以一定方式振盪，“曲率皺紋”使時空的彈性織物出現輕微波動，時空距離發生伸長或縮短。例如，如果探測器是一塊固體物質，當引力波穿過時該物體的不同部分就會沿不同方向有所移動，即出現形變（必須注意，引力波總能穿過任何物體。無論是多么堅硬的物體，都不可能完全不發生形變）。

物體中兩點之間的間隔在引力波作用下發生的變動能給出波的振幅，而波的振幅是其能量的直接量度。銀河系中心兩個恆星級黑洞的碰撞將會使一個1米長的律形探測器兩端發生10－‘’（一萬億分之一）毫米的移動。引力波探測器的建造因而是對科學家們的一個技術挑戰。

馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）在60年代製造了一個很大的鋁質圓柱，預期其長度會在來自銀心的引力波作用下發生振盪。他認為自己已經得到了肯定的結果，但是在世界上其他許多地方所作的類似實驗表明，他對實驗誤差所作的解釋是不正確的。銘心的一次超新星爆發所產生的波的振幅是10－”毫米，而韋伯的裝置能探測的振幅要比這大1萬倍。另外，對銀心超新星的探測還有一個問題：銀心的超新星是每10年1個，而爆發過程中的引力暴只持續不到1秒鐘的時間。

最有希望探測到引力波的場所是室女座星系團，那裡有幾千個星系聚集在天空中一個很小的視角範圍里，超新星爆發和雙脈衝星周期的衰減所發生的頻率大約是每星期一次。但是室女座星來團的距離並不像銀心那樣是1萬光年，而是5000萬光年。這意味著，要探測到那裡的一個超新星的引力光，引力望遠鏡就必須比能探測銘心類似事件的那種靈敏100萬倍。值得注意的是，1987年2月大麥哲倫雲中的超新星爆發（見第6章）的距離“僅”是17萬光年，應當能發射出足夠強的引力波，被兩個或三個探測器接收到——如果探測器在開動著的話。但是那天它們全都在檢修！

困難

儘管有這些惱人的技術困難，引力波的探測仍有可能在本世紀末獲得突破。自韋伯以後已經取得了許多技術進展，目前世界上共有八個研究組在使用著第二代棒形探測器。這種探測器更敏感也更昂貴，因為是用鋼或藍寶石這樣的稀有材料製造的，並且要冷卻到只有絕對零度以上幾度的溫度。

另一條更有希望的途徑剛剛被開闢，其原理是測量兩面大質量鏡子之間距離的振盪。這兩面鏡子放在長支架的端點上，它們的距離用一個光干涉儀系統來檢測。這實際上是一種修改的麥可遜一莫雷實驗（見第2章），但不再是用來測量以太的絕對運動，而是測量時空的抖動。鏡子之間的距離越大，從系統內部的“背景噪聲”（由地震波、聲波等等所引起）檢測出引力信號的效應的機會也就越大。製造出極高質量的鏡子，使之能實現接連幾百次光反射，則當鏡子之間的實際距離是3公里時能得到的等效距離是150公里。

這種干涉議的天線還本製造出來，但各種預備實驗已在進行之中：一個美國的項目，一個英、德聯合項目，還有一個名為“室女座”的法、意聯合項目（因為室女座星系團是主要探測目標）。所需的經費比一次太空梭或衛星發射，或是比波斯灣戰爭中半個小時的費用都要少。然而，引力天文學，由於缺乏觀測證據，難以獲得經費倒成了當然的事。相對論天體物理學家們仍在焦急地期待著獲得資助來打開宇宙的又一扇神秘的窗戶。