用引力波探索宇宙空间的新进展

王柏庐

(西南大学物理科学与技术学院 重庆 400715)

在人类文明的发展史上，人们都是通过接收不同波长、不同类型的电磁波(包括可见光波)来认识宇宙的.现在通过物理学家的辛勤努力和在物理科学前沿的不断探索，人类即将进入用引力波(又称重力波)探索宇宙空间的新的历史时期.

1 人类通过电磁波认识的宇宙

从远古时代(据今约300万年～公元前21世纪)至中世纪(约公元476年～公元1453年)末，人类经常好奇地用肉眼欣赏夜空中的繁星；古代学者逐步认识了太阳、月亮、恒星和行星在天空中的运行方式.除银河外，他们把众多明亮的恒星按在天空中的位置分为不同的星座，还编写了许多优美的神话故事.

在17世纪初(1608年)，荷兰人发明了望远镜，意大利科学家伽利略、德国天文学家开普勒自制并不断地改进望远境，仔细地观察星空，不断地拓展了对太阳系、银河系的认识.开普勒通过对行星运动规律系统地观察得到了开普勒三大定律，对牛顿力学的建立和万有引力定律的论证提供了基本的实验依据.到此时人类都是通过可见光来认识宇宙和星空的.

在18～19世纪，一批杰出的物理学家，如库仑、安培、欧姆，法拉第等研究了电磁运动的实验规律.1865年麦克斯韦建立了反映电磁场运动规律的麦克斯韦方程组.1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在.人们逐步认识到，可见光只是波长在一狭窄范围内的电磁波.电磁波包括无线电波(长波、中波、短波)、红外线、紫外光、X射线、γ射线等.人们开始思考，设法通过接收各种无线电波来了解宇宙空间.

到20世纪40年代，开始发展了射电天文学.实验证实，从宇宙天体中发送来的1 mm～30 m波长的无线电波，能够穿透大气层，并被射电天文望远镜接收.用这种方法，天文学家从20世纪60年代起，陆续发现了类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射 ，拓展了人类对宇宙空间的认识.

1990年4月24日，美国发射了哈勃空间天文望远镜，用它观察星空时，完全避免了地球大气层对紫外线和各种射线的吸收，可以接收来自宇宙空间的电磁波所有波段的信息.用哈勃望远镜探测太空深处，可以观察到的是数以亿万计的星系，每个星系包含难以计数的亿万个恒星，真是星光夺目，多姿多彩.我们生活的地方，仅仅是在银河星系的太阳系中一个小小的行星——地球.

2 用引力波观测宇宙

爱因斯坦是牛顿之后最伟大物理学家.爱因斯坦对麦克斯韦建立的电磁场方程组进行了分析研究，考虑了迈克耳孙试图用干涉仪发现以太和绝对静止空间的否定结果，提出了光速不变原理和相对性原理.于是在1905年建立了狭义相对论.狭义相对论要求引入四维时空，建立新的时空观，推出了著名的质能关系E=Mc2，并为实验充分证实.

爱因斯坦于1915年又创立了广义相对论.广义相对论建立的“空间”并不是牛顿和常人理解的“绝对时空”，甚至不是狭义相对论依赖的四维线性空间.广义相对论认为宇宙中质量与能量的分布会使得时空变得弯曲或“翘曲”，对应于数学上的“黎曼空间”.在这种弯曲的时间空间中，地球沿着最接近于直线的、称之为“测地线”的轨道运动，对应于在三维空间中观察到的地球绕太阳的圆周运动.因此，如果在短时间内宇宙空间中质量和能量的分布发生剧烈的变化，弯曲的时-空结构将会发生振荡.这种振荡就是爱因斯坦著名的预言——引力波.引力波以光速c传播.

2.1 几种可能的引力波源

(1)双星碰撞并湮灭

黑洞和中子星都是宇宙空间中的超大质量星体.一对黑洞(或者一对中子星)相互环绕，高速运动，彼此间的距离不断减小，速度不断地增加，其结果是辐射的引力波频率不断地增加，直到一对黑洞(或一对中子星)湮灭.从可能接收到的引力波辐射，可望进一步了解这种壮观的、引人入胜的、天体事件的动力学机制(图1，2).

图1 双星碰撞并湮灭示意图

图2 双星碰撞并湮灭的引力波信号

(2)超新星爆炸

物理学家认为，无数与太阳类似的恒星的能量来源，是星体内部包含的各种原子持续不断地核反应；随着反应物质的逐渐减少，这种核反应并不会永远地持续下去.在外部强大压力的挤压下，星体将坍缩成为与白矮星(中子星)式的密集恒星.之后从伴星中虹吸物质的白矮星会以超明亮的超新星的形式爆炸.美国宇航局(NASA)的一项研究成果认为，中国古代文献中记录的公元185年的超新星爆炸，是人类有观测记录的第一次超新星爆炸，它是“热核爆炸”型超新星(Iα型)，是白矮星吸积伴星物质达到一定阈值时发生的猛烈的核爆炸.在超新星爆炸时，发出强烈的γ射线；同时由于能量质量的急剧变化，可能发射比较强烈的引力波(图3，4).

图3 超新星爆炸

图4 超新星爆炸的引力波信号

(3)宇宙大爆炸时激发的引力波

依据爱因斯坦的广义相对论和天文观测的结果，使物理学家可能回顾和预言宇宙的生命历程.普遍的观点是，我们的宇宙并不是永恒不变的，而是起源于宇宙初始的一次“大爆炸”.在大约150亿年前，宇宙密集于初始点，有1032K以上的高温，通过大爆炸宇宙不断地膨胀.物理学家观察到的宇宙微波背景辐射就是宇宙诞生后30～40万年的热辐射的遗波.而在宇宙大爆炸初期(10-10～1 s)物质质量的突然涌现，也应该伴随有引力波的“诞生”，这种引力波被科学家比喻为宇宙婴儿的“啼哭”声，应该永远地荡漾在整个宇宙空间中，只不过已经变得十分微弱而已(图5).

图5 宇宙大爆炸的引力波信号

3 引力波的观测

3.1 依据

物理学家将引力波想象为在爱因斯坦广义相对论弯曲的时间-空间中的涟漪.这种时空可以比喻为有弹性的蹦床，将质量能量的变化比喻为投掷在蹦床上的保龄球，则引力波就是震荡在蹦床上产生的涟漪.应该注意：引力波与电磁波不同，它不能被宇宙中的物体所吸收，也不能被反射，因此用观测电磁波的通常方法，是看不见引力波的.

3.2 测量引力波的激光干涉台

图6 激光干涉测量引力波的原理图

3.3 引力波观测站

观测引力波的激光干涉天文台(LIGO).世界上最大的引力波观测天文台，其两个干涉臂的臂长有4 km，位于美国华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿.世界上另一些发达国家也建立了引力波的观测台、包括意大利的VIRGO、德国的GEO600、日本的TAMA300等.

为了确定引力波源确切的位置，需要多极引力波探测器.由于引力波以光速传播，因而当在不同位置的探测器中观测时，时间会稍有差异，通过对滞后量的分析，科学家们可以确定在宇宙中引力波源的位置.

4 对引力波观测结果的预期

4.1 预期结果

现在全球的物理学家都在翘首期盼着观测引力波的实验结果.爱因斯坦的“狭义相对论”已经得到充分的实验证实，得到人们的公认.而广义相对论虽然在数理逻辑上十分严谨，并为引力红移、光线偏折、水星近日点进动所证实，但是还不能说已经成定论.引力波观察的实验结果无疑是对广义相对论是否成立最关键的检验.

4.2 观测引力波的最新实验报道

(1)德国及英国科学家用他们联合研制的引力波探测器，连续进行了18个月的探测，发现了引力波并与爱因斯坦的预言一致[注]腾讯科技转太空新闻网2006-6-30.

(2)一个国际科研小组报道，他们利用位于美国的“激光干涉引力波观测台”，成功地锁定了引力波的出没范围；不过显示的能量值比原有推测值小得多.这个团队包括了全球79所大学、实验室和研究机构的众多科学家.文章发表于2011年8月20日出版的《自然》杂志上，并称其为寻找引力波的“第一次有意义的进展”.

(3)德国科学家利用GE600探索引力波，还没有观测到引力波存在的证据，而是发现了大量噪声.费米实验室科学家雷洛·霍根认为，发现的不是噪声，而是时空在量子级别的振动，爱因斯坦的广义相对论需要修正[注]《科技时报》2011-01-19.

因而观测引力波的实验结果，不仅将丰富人类对于宇宙空间的认识，还有可能将物理学家带入爱因斯坦之后，建立21世纪更新的物理学理论.

参考文献

1 www.physicscentral.com.search on “gravitational waves”

2 史蒂芬·霍金著.许明贤，吴忠超译.时间简史.长沙：湖南科学技术出版社，2002