引力輻射

有質量的物體按某些特定方式運動時在時空結構中引起的波動。與加速度和軌道運動相關聯的引力輻射是阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論所預言的，並以光速傳播。該理論認為，除了有強引力場的地域外，引力輻射完全可以忽略；雖然引力輻射還沒有直接探測到，但它的存在已由1980年代的脈衝雙星觀測得到證實。

基本介紹

• 中文名：引力輻射
• 簡介：大家都知道運動的電磁場
• 研究過程：1974年，天文學家發現天鷹座
• 原理闡釋：用一張拉緊的橡皮膜代表時空

簡介

大家都知道運動的電磁場會產生電磁輻射和電磁波。大家也知道任何物質都有引力，形成引力場，質量越大，引力場越強。愛因斯坦在1916年預言，加速運動的質量(即引力場)會產生引力輻射或引力振盪，也就是會向外發射引力波。

不過，引力波一般很微弱，很難探測到。只有大質量天體的激烈活動才產生很強的引力波，如雙星系統的公轉、中子星的快速自轉、超新星爆發、黑洞碰撞和捕獲物質等過程。

研究過程

1974年，天文學家發現天鷹座一雙星脈衝星(旋轉的中子星)，它們距地球1.7萬光年，由於高速相互繞轉，應該發射引力波。而引力波會帶走能量，它們的運行軌道會緩慢地衰減，即以螺旋軌道相互靠近。天文學家為此一直在進行測量。1978年，終於測得它們的軌道衰減率，而且正好與愛因斯坦廣義相對論預言的一致。這被認為是對引力波理論的第一個間接證明。

原理闡釋

用一張拉緊的橡皮膜代表時空，並將物質想像為鑲嵌在橡皮膜中的密實團塊，就可以很清楚地說明引力輻射的起源。當一個團塊振動時，它通過橡皮膜發出波動，這些波動將引起其他物質團塊振動起來。這與振動的帶電粒子以波的形式發出電磁輻射，引起其他帶電粒子振動起來很相似；但是引力輻射極難探測，因為它的強度只有電磁輻射的分之一。

一種探測引力輻射的方法是在儘可能不受其他任何振動源影響的地方懸掛一根大物質棒，並用靈敏儀器進行監測，看它是否顯示引力波經過時必然產生的干擾。1960和1970年代曾用巨大鋁棒做過這類開創性實驗，其靈敏度之高能夠監測出實驗室外面街上駛過的車輛引起的棒的振動，但這些實驗都未能證認出引力輻射的‘信號’。這並不奇怪，因為如果愛因斯坦理論正確，地球附近的任何引力輻射都過於微弱，無法產生可測知的棒振動。然而進行此類實驗是值得的，通過這些實驗可以弄明白是否還有愛因斯坦理論未曾預言的現象，也能探尋可用於更靈敏引力輻射探測器的新方法。這樣的探測器目前正在建造之中，如果能按計畫投入使用，而愛因斯坦理論是正確的話，則可望在21世紀初探測到引力波。

有兩類引力輻射源應該能夠在時空中引起強到足以用下一代儀器進行探測的波動。一類是大質量恆星的外層發生超新星爆發、核心坍縮成中子星或黑洞的事件。這種事件按人類時間尺度是極為稀罕的，但銀河系中不時會發生可測知的超新星——平均大約每25年一次。當出現超新星時，它們應在很短時間內產生大量引力輻射——一次持續僅僅5微秒的爆發式輻射的能量與太陽全部質量相當

()(作為比較，地球在其繞太陽軌道上運動產生的引力輻射功率僅僅200瓦，相當於一枚普通燈泡輸出的功率)。

即使這樣的事件發生在1萬秒差距之外的銀河系中心附近，它產生的引力輻射中到達地球的部分在數量上相當於我們在大約100秒鐘內從太陽接收到的整個波譜範圍的電磁輻射能量。這樣的爆發應該比較容易探測。但由於此類事件十分罕見，所以直接觀測引力輻射的首選目標是探測脈衝雙星那樣由兩顆互相繞轉的極緻密恆星組成的系統產生的引力輻射。

這樣一個系統很像極端形式的舉重運動員的槓鈴。從繞轉平面觀察，它產生的引力波可以根據對同一平面內的圓環的影響而顯現出來。物理學家稱這種輻射為‘四極輻射’。

四極輻射可藉助電荷的輻射予以最簡單的說明。一正一負的一對電荷構成一個偶極子，當這兩個電荷運動(向內向外的振動，或互相繞轉)時，它們產生偶極電磁輻射。偶極子儘管能以這種方式輻射，它整體上則是電中性的。

一對偶極子構成一個含兩個正電荷和兩個負電荷的四極子。當四極子中的電荷以合適方式運動時(比如一個偶極子繞另一個轉動)，它們產生四極輻射。然而與電荷不同的是，質量只有一種‘符號’，所以沒有與偶極電磁輻射對應的引力輻射。互相繞轉的兩個質量的行為類似一對偶極子，它們產生的引力輻射可通過對前面提到的那個圓環的影響而顯現出來。

當引力波經過時，圓環在一個方向上被壓縮而同時又在與之成直角的另一方向上被拉伸，使它變形為一個橢圓環。然後反過來，先恢復到起初的圓形，隨即變形為與第一個橢圓垂直的橢圓。這種在成直角的兩個方向的交替壓縮和拉伸是四極輻射的特有性質。要探測這樣的輻射，你只需要用擺放成直角形‘L’的三個質量，來監測引力波經過時引起的時空畸變。當然你還需要一些很精密的測量儀器。

新一代引力輻射探測器打算採用的辦法，是將三個作為試驗質量的重物擺放在數公里長的地下真空管道中。試驗質量表面拋光成反射鏡面，並用雷射束進行監測。雷射束在真空管道中射向鏡面並反射，從探測器兩臂出來的雷射束會聚到一台干涉儀，後者利用雷射的波長測量出試驗質量位置的變化。典型設計的管道長3公里，每條管道兩端的試驗質量之間距離變化的測量精度高達米——小於一個原子核的直徑。

前景

整個實驗很像19世紀初試圖檢測地球相對於以太的運動但以失敗告終的邁克耳孫－莫雷實驗。

更大規模的類似探測系統最終有可能建造在空間或月球上。目前，作為準備，天文學家對遙遠太空飛行器(如旅行者空間探測器)位置進行檢查，他們測量飛行器無線電信號的都卜勒效應，看是否受到引力波的干擾。但至今尚未觀測到這種干擾。

所有這些探測引力輻射的實驗計畫很可能由一種完全不同的辦法取代。根據暴漲理論的某些版本，在大爆炸之後約30萬年、宇宙還很年輕、物質與背景輻射之間發生最後的直接相互作用時，引力波和物質之間的相互作用應該已經在宇宙物質分布中造成了一種特有的結構。這一結構就應該作為化石遺蹟保存在背景輻射自身之中，因而有可能在幾年之內，在使用諸如COBE衛星儀器和地面探測器所做的觀測得到改進後，而被探測到。背景輻射中的漣漪可能包含了關於時空結構中漣漪的信息。

趙寧談引力輻射

引力輻射是引力波的另一種稱呼，它是指引力波從星體或星系中輻射出來的現象。

在具有質量的物體周圍都存在有引力場，當物體發生加速運動時，引力場會發生擾動並伴隨有引力波的產生，引力波像水波一樣向外傳播，這種傳播的現象就是引力輻射現象。

引力輻射是一種能量的輻射。假如一個行星圍繞恆星運動，恆星的旋轉會伴隨有引力輻射的發生，使得行星的軌道發生變化，其主要變化特徵是行星運動周期的減小。

這一現象在1974年，被赫爾斯和泰勒二人所證實。他們對脈衝雙星PSR1913+16進行觀測，發現它們的公轉周期變小率為（-2.40+-0.09）*10^-12，這個數值與廣義相對論的計算符合的很好，廣義相對論的預言值為（-2.403+-0.002）*10^-12，這一點充分證明了引力輻射的存在性。

引力輻射的存在，可以間接的證實引力波的存在，揭開引力波存在的謎團。