寻找引力子与引力波(转）

英国物理学家牛顿统一了天上和地下的力，发现了万有引力定律。根据万有引力定律，科学家成功地解释了行星、月球的运动，潮汐的成因等等，其中最伟大的成就是1846年发现了海王星。每隔76年回归一次的哈雷慧星也是因为太阳引力的牵制所致。今天，人类登上月球、卫星飞向蓝天、宇宙航行变成现实，哪一项离得开万有引力定律的计算？但是，随着人类认识范围的扩大和深入，万有引力定律终于捉襟见肘，露出了破绽。伟大的爱因斯坦是突破万有引力定律的勇士。他从小就爱思考一些与众不同的问题，譬如：假使光线的接受器（眼睛或摄影机）随在光线后面，用和光相等的速度飞奔，会发生什么情景呢？如果一架电梯自由下落，那么电梯中的物体会发生什么现象呢？引力与加速度有什么内在联系吗？爱因斯坦决心重新审查万有引力理论，他在《自述》这篇文章中，写下了这样一句话：“牛顿啊，请原谅我……”1913年，他迈出了革命性的一步，提出了万有引力场论，1916年又完成了广义相对论。广义相对论的实质就是对牛顿引力理论的扩展和修正，是一种全新的引力理论，而引力子、引力波就是新理论大厦的柱石。
一、引力场、引力波、引力子的提出       “引力场”的提出与“电磁场”颇有相似之处。1864年，英国物理学家麦克斯韦在法拉第研究的基础上建立了电磁场理论。他认为带电物体周围存在着电场，而磁性物体周围存在着磁场，电场和磁场可以互相激发、互相转化，形成不可分离的电磁场。电磁场在传播过程中会形成电磁波，而电磁力是通过光子使物质产生相互作用的。麦克斯韦的理论预言了电磁波的存在，1887年，德国物理学家赫兹果然在实验中发现了电磁波。
同麦克斯韦的电磁理论相仿，爱因斯坦的引力理论认为，任何物体周围都存在着引力场，而存在引力场的空间是弯曲的空间，更确切地说，是弯曲的时空，因为在他的理论中，时间、空间和物质早已融为一体，相互不可分离。爱因斯坦的新引力理论得到了许多实验成果的支持，譬如水星近日点的进动，恒星的光线在太阳引力场中的弯曲，银河外星系光谱的引力红移。那么，引力场是怎样传播的呢，爱因斯坦从麦克斯韦那里得到启发，预言了引力波的存在。既然电磁场是通过电磁波传播的，那么引力场看来也是通过引力波传播的；电磁场是通过“光子”使物体相互作用的，那么引力场理所当然是通过“引力子”使物体相互吸引的，可见引力场也同电磁场一样具有“波粒二象性”。爱因斯坦的引力波理论，究竟能不能成立？引力子究竟是否存在，物理学界掀起了一场轩然大波，围绕着这个问题的辩论常常是唇枪舌剑，难解难分。看来，人们只有找到了引力子或探测到引力波，才能检验爱因斯坦的预言是不是正确。引力子、引力波成了新引力理论的试金石。

二、寻找引力子
        怎样才能找到引力子呢？爱因斯坦在1916年提出了一个旋转棒的方案：用一根二十米长、五百吨重的钢棒，以非常快的速度绕棒的中心旋转，就能产生引力子来。不过，要使这样的庞然大物飞速旋转，实在太困难了，即使旋转了，从目前的技术水平来讲，人们还是找不到引力子的，因为用这种方法产生的引力子是非常微弱的。

        科学家们为了寻找引力子，兵分两路，一路人马抓紧研究新的探测方法和提高探测仪器的灵敏度；另一路人马开始寻找能产生引力子的大源泉。功夫不负有心人，第二路人马在科学家泰勒的带领下，从1974年到1978年底，在波多黎各用巨型望远镜，对15000光年远的射电脉冲双星进行了1000次观测，间接地证实了引力子的存在。在这个成果的鼓舞下，第一路人马也士气大振，他们“招兵买马”将队伍扩大为20多支实验大军，架起高灵敏度的激光干涉仪，等候着引力子的光临。

一旦找到或证实了引力子，那么，物理学和天文学将会发生翻天覆地的变化，在技术方面也将开辟史无前例的领域。那时将会出现引力电视、引力望远镜、引力电话等一系列新发明，将给人们带来意想不到的美好前景，为远距离宇宙通讯再开辟一条新途径；借助引力望远镜，通过观测宇宙星系的引力波，人们还可能观察到前所未有的令人们欢呼雀跃的宇宙星系及黑洞的图景……

三、宇宙天体是巨大的引力波源
一个电子作变速运动（或来回振动）辐射的电磁波是无法接收的，而一大群电子来回振动（振荡）辐射的电磁波则要强大得多，完全可以被接收到；同样，一个质点作变速运动（或来回振动）辐射的引力波也是难以接收的，一个含巨大质量的物体作变速运动（或来回振动）辐射的引力波就一定很强大，是可能被接收到的。做变速运动的巨大物体在宇宙中比比皆是，那就是星系和大质量天体。

        天体作为引力波的波源，大概有三类：

一是爆发源：

超新星爆发，其上各部分必然急剧加速运动；星体坍缩，或黑洞俘获物质，也是一种剧烈的变速运动，它们均属于爆发性的，称为引力波爆发源。

二是周期性连续源：

双星旋转、中子星自转；星体的旋转或自转，其各部分运动的轨迹必定是曲线，曲线运动也是一种变速运动。星体旋转或自转常常有自己的周期，所以它们是周期性的引力波连续辐射源。

三是宇宙本底辐射：

这是来自太空的引力波背景辐射，它们千年不衰，万世不竭。源头何在？至今仍无所知。

四、探测引力波
广义相对论预言，引力波与电磁波有很多相似之处。但是在相同条件下，两个静止带电体之间相互作用的静电力比起它们之间的万有引力要大得多，就是说万有引力是非常微弱的。例如一个质子和一个电子间的万有引力只是静电力的4/1039，因此在计算它们之间的作用时，常常只关心静电力，而将万有引力忽略。同样，一个作变速运动的电子，辐射的引力波与它辐射的电磁波相比也是微乎其微的。所以，探测引力波是非常困难的。自1916年预言引力波后的40多年中，只在理论上有些进展，而在实验上却不甚了了。

1. 最初的韦伯探测装置
        1958年，马里兰大学的美国人韦伯第一次开始探测引力波，他用巨大的铝筒和棒形天线进行探测，经过10年努力，于1969年宣称探测到了引力波。但是，他没再重复接收到，一个不能重复实现的实验很难被科学所认可。韦伯的实验至今已经被否定了，但他提出的探测方法和原理却是正确的。在韦伯实验的启示下，人们了解到，要想探测到引力波，需要更灵敏的探测器或更新的探测方法。

2. 我国的探测近况
世界各国都在改进韦伯装置，或者研制新型的探测器。中国科学院高能所和广州中山大学也建立了两台韦伯型探测器。中山大学还提出了用电磁方法探测引力波的可能性。如果能有突破将会是一项很大的成就。一般说来，电磁波用电磁方法来接收，即电磁谐振；引力波则用质量谐振如韦伯装置的方法来测试，而一旦两者结合，势必引起重大的理论变革。

3. 欧洲空间局的未来探测装置──LISA
欧洲空间局正在进行一项雄心勃勃的计划，他们打算在21世纪第一个10年左右，建立一个1000倍地球大小的巨型探测系统，如此巨大的系统，所要测量的目标却是比原子还要小的多的引力子。此系统由3对飞船组成，每对飞船至另两对飞船的距离皆为500万千米。它们相互间发出红外激光，形成一条500万千米长的干涉天线。故此系统称为激光干涉空间天线（LISA），它要探测的是人类从未见过的引力波。

4. 美国的引力波激光干涉观察台一LIGO
       目前美国正在建造的引力波激光干涉观察台——LIGO，其干涉天线的长度为4千米，运转后，能测出引力场激起的微小应变，而欧洲空间局的LISA建成后，其灵过度当然要高得多。

五、对引力波天空的预测
人类对星空的观测起始于光波波段，后来才向红外、紫外波段扩展。近30多年来，借助于现代科技的发展，使天文观测摆脱了局限于光学波段的长期历史，开通了整个电磁波谱，人们拥有了从 射线到射电波观测的全部手段，从而使我们能看到中子星、类星体、射电星系以及神秘的黑洞外围（其吸积盘）所发出的X 射线。即使如此，我们也仅看到了宇宙的部分面貌，尚有大量的信息深深地隐藏在引力波的天空之中，通过引力波我们才能提取更为丰富，更加隐蔽的神秘景象。

1. 引力波将使我们看到宇宙更多的隐蔽景象
       一旦探测到引力波，天文学将会出现空前的变化。引力波做出的贡献，将不是增添一个观测窗口（如射电波）所能比拟的，它为我们对宇宙的探查增添了力学的波谱，从而能使我们从两个侧面（电磁场和引力场）去观看宇宙的全貌。

根据广义相对论，若二星球相碰，将猛烈扭曲时空而产生引力波。由于这是一种时空自身的震动，故其传播的形式跟电磁波不大一样，它所携带的信息也不同于电磁波。电磁波（如可见光、射电波等）由单个原子或电子所辐射，反映了天体的物理条件，且在辐射途中不断地被天体物质所吸收损耗，而引力波却能不受阻拦地通过空间，它给我们带来的是关于大质量星球整体运动的信息：一颗中子星如何塌缩？一个黑洞如何旋转？引力波由波源天体向四周传播，尤如一块石头抛入水池，涟漪从落点向外的传播。我们地球跟其它天体一样，都将受到这种涟漪的冲击而发生形变。因为在物体中占压倒优势的是电力和核力，因此引力波加在物质上的效应非常微弱，例如，离地球6.5亿光年的一对中子星双星系统所发出的引力波通过地球时，会产生4／1022的应变。这就是说，一根1千米长的检测杆，由引力波所产生的膨胀和收缩只有1／1000原子直径的大小。

2. 透过引力波，神秘的黑洞也将会露面
        引力波可能是有节奏或无节奏的，稳定的或偶发的，这要视波源的状态而定。引力波的波段甚宽，从1022Hz～10-17Hz，相差39个数量级。研究者将把这些信号诠释成一幅全新的天图——一个迄今尚不知悉的秘密宇宙，视而不见的神秘黑洞也将在这里露面。黑洞是时空的缺口，引力的深渊，物质或辐射一旦落入黑洞，就无法逃出，虽然某些探测手段能收集到有关它的间接证据，但只有“引力波望远镜”才能直接察觉它的存在。引力波望远镜的工作原理颇似地震仪，只是它记录的是时空的震动，是一个“时空测震仪”。且让我们来看看下面的场景：

两个黑洞慢馒地相互绕行，发出极其微弱的引力波流（理论家猜测它们的尾波具有一种螺旋形花纹），它们因辐射引力波而消耗能量，逐渐而不可阻挡地相互靠拢，随着距离的接近，它们相互绕行的速度也加剧，到了相碰前的一刻，它们发出强度迅速增高的一系列引力波，地球上的探测仪将把信号转变为呜鸣之声。随着碰撞的来临，它们以近光速越来越快地靠近，此时呜鸣声变成了吱吱的啸叫并持续几秒钟。接着两洞相碰，我们会听到响起一种金属的撞击声，很短暂只需几毫秒，两洞便合二为一，稍稍晃动并伴随着敲锣般的余声而安定下来。两黑洞的质量决定了其耦合时间的长短，黑洞越重，相互间的吸引越强，合并得越快。

3. 引力波将带来更多的中子星信息
        宇宙中充满了引力波辐射体，成对的中子星双星系统就是一例。中子星是一种塌缩天体，它们由核物质（中子）组成，直径仅10千米左右的一颗中子星却包含了一个太阳的质量。在双星系统中，它们相互绕行，发出呜鸣声和尖叫声，它们比黑洞轻，故两星的合并要经过较长的时间。随着两星靠近，我们将收到一系列频率越来越高的正弦形的引力波。在相碰前约3分钟，它们相隔仅几百千米，此时其互绕次数约每秒10次，运动速度相当于1/10光速。在最后一刻，它们因起潮力而被拉长，绕行数达每秒100次，剧烈地拖着周围的时空，随即发生相碰，发出长达几秒钟的引力波信号（而黑洞经历这一过程却只有几毫秒），同时星体碰撞并各自分裂成几块，此时很可能发出 射线。

        超新星爆发时，其星核将塌缩成中子星，时空测震仪将记录到一种引力波的孤立震动，并将震动转换成一种我们可以感受到的尖叫声。能否测得爆发时的引力波，要看它的爆发形态而定：若星体的塌缩呈混乱状态，则新生的中子星呈饼状，然后再膨胀为球体，在这样的过程中，人们将能测到引力波；若塌缩平滑、对称地进行，星球侧面的引力波则相互抵消，我们就测不到任何信号。

在中子星形成时，可能产生短期的震动，并在其表面形成一层突起，一种高约2.5厘米的“波纹”。随着中子星的疯狂旋转，这些突起向周围的时空发出周期性的引力波，它们一直闪烁着，直到表面变得平滑；而较老的中子星有时会产生引力波的突发，那是中子星外壳偶尔跟其核心错开而产生的“地震”所引起的。

4. 比“微波背景辐射”更有价值的“宇宙大爆炸遗迹”
科学家早于20世纪60年代就测到了宇宙微波背景辐射，它被看作是大爆炸的遗迹。其实这一背景辐射只不过始于大爆炸后的30万年，此时物质（粒子）与辐射脱耦（即相互分开），原子开始形成，光线才能摆脱粒子的束缚而自由地通过空间。若沿时间再往前看（30万年前），粒子与辐射混合在一起时，宇宙呈现一片混沌，我们只能看到雾茫茫的一片，找不到任何真实的信息。而在引力波天空中，始终响着嗡嗡的背景声，那是宇宙创生的回音，这才算得上是大爆炸的真正遗迹。理论家认为，最早的引力波产生于创生后的10-36秒，它在宇宙空间传播，既不被物质吸收也不被散射，故它携带着宇宙创生的真面目。一旦人们测得原始的引力波背景，也许就此可证明，我们宇宙的出现，确是一种从虚无中暴出的量子起伏的结果，它还将告诉我们，“暴胀”时期的宇宙究竟爆发的有多快；是否有足够的物质平均密度，能在遥远的将来制止宇宙的膨胀（大爆炸理论认为当宇宙的平均密度大于一个临界值时宇宙将会在未来停止膨胀）。

5. 引力波探测可能带来其它意想不到结果
最令人激动的，也许是能在引力波天空中探测到异乎寻常的事件，也许在我们收到的引力波信号中会“看见”宇宙弦的存在，那是理论家猜测的时空的一维缺陷；也许我们还将“看”到裸黑洞，这是一种没有外层包裹的黑洞中心——奇点；而最令人振奋的也许是可能在这些信号中，破译出外星人向我们发来的“问候”或“贺电”。

尽管上述憧憬美不胜收，但是一些理论家也劝我们别高兴太早，因为不论是中子星双星系统的旋转、黑洞的碰撞、超新星的爆发以及大爆炸本身所产生的引力波还是关于引力波的传播情况，都是出于现有观念基础上的推测，都是出于科学家从电磁辐射信号中积累起来的经验和知识。在引力波的预测中，究竟有多少准确的成分，尚难结论。朋友们，让我们努力学习，争取置身于这个伟大的探索之中吧。

LIGO花了不少钱, 用了30年时间, 好象还没有探测到什么.