引力波概念

如何理解引力波？

引力波探测

引力波望远镜的发展

引力波望远镜的利弊

引力波概念

我们都知道电磁波，那是物体的电磁辐射。静止的电磁场辐射电磁波，加速运动的电荷也会辐射电磁波。我们也知道，物体都有引力，会产生引力场。爱因斯坦在发表广义相对论后不久，预言引力场具有波动性质的引力振荡，加速运动的质量（引力源）也辐射引力波。由于电磁波是由光子传递的，爱因斯坦假定引力波是由引力子传递的。

如何理解引力波？

广义相对论认为，物质的质量使时空弯曲，引力就是时空弯曲的量度。如果把宇宙时空比做一块橡胶板，质量不同的天体会在橡胶板上压出深浅不同的坑，即引力阱。天 体运动就是在自己的引力阱中滚动，这种滚动会引起橡胶板的轻微波动，而当超新星爆发和黑洞碰撞时，由于质量（即引力）的突然变化，相当于质量在橡胶板上大力弹跳，因而引起橡胶板剧烈地上下抖动。这种波动和抖动就是引力辐射，即引力波。

这么说来，地球绕太阳的公转运动也会产生引力波。是的。不过它的能量很微小，只有千分之一瓦。因为引力是各种基本力中最弱的力。如在原子核中，核力是电磁力的100倍，而引力只有电磁力的1040分之一；相隔1厘米的两个质子，其引力作用只有静电力的1037分之一。因此，引力辐射非常微弱，一万亿千瓦的引力辐射，只相当于1千瓦的热电丝。

但是，由于引力总是相加的，因而高致密度的恒星如果以接近光速的速度运动时，可产生不可忽略的引力波。靠得很近的双星脉冲星会发射很强的引力波。超新星爆发等剧烈活动，可在几微秒之内产生很强的一次性的引力波，叫引力辐射爆发。旋转黑洞是最丰富的引力辐射源，特别是当两颗旋转黑洞相撞时，会产生强烈的引力辐射。如质量各是10倍太阳质量的黑洞相撞，其引力辐射的强度是银河系的电磁辐射强度的1000亿倍。

为什么引力辐射的强度当其小时非常弱，而当其大时又非常强呢？除了引力源的质量和运动速度因素外，其重要原因是，由加速质量产生的引力波，本身又是一个引力波辐射源，即引力波又产生引力波。

引力波确实存在吗？人们试图用实验去检验。理论上，弹簧振子可产生引力波。所谓弹簧振子，是在一根弹簧两端各连接一个有一定质量的物体。如果让它振动起来，就会产生引力波。因此也叫“引力振子”。还有，一根绕其中心垂直轴旋转的重棒，也会产生引力波。

不过用上述方法产生的引力波的能量小得可怜。如重500吨、长20米的钢棒，以5转/秒的速度（这是它强度极限以内的最大旋转速度）旋转，所产生的引力波能只有10～29瓦。一个长10厘米的弹簧，两端各重1千克物体组成的引力振子，以100次/秒、振幅1厘米的速度振荡，若将其全部引力波能转变为电能，要点亮一只50瓦的灯泡，则需要的振子数，比组成地球的全部基本粒子数还多。

由此可见，用上述人工实验的方法是难以检验到引力波的。因为即使实验产生了引力波，目前也还没有如此精密的仪器能检测到它所产生的微弱引力波。那么，要验证引力波理论，就只好探测宇宙中巨大的天然引力波了。

引力波探测

虽然科学家们一直在努力探寻宇宙中的引力波，但是，直到20世纪70年代，都还没有找到引力波存在的直接证据。于是，只得退而求其次，找间接证据。根据理论，相互绕转的双星脉冲星会发射引力波。如果是这样，它们就会因发射引力波而损失能量，它们的轨道周期会因此而缩短。于是，科学家便选定观测双星脉冲星的轨道周期变化，来间接证实它们是否发射引力波。1974年，科学家们选定了天鹰座中距地球17000光年的一对双星脉冲星进行观测。在那以后的12年中，测得它们的轨道周期以每年76毫秒的速度在减小。这与根据爱因斯坦理论的计算结果精确地相符。

既然宇宙中存在引力波，那么，在地面上就应该能检测从太空传来的引力波。从理论上说，像电磁波引起天线振荡一样，引力波也会使物体产生某种振荡，如使弹性物体产生轻微的波动，使刚性物体产生伸长和缩短的变形等。检测到这些振荡，也就是检测到了引力波。

如果在地面上检测到了引力波，不仅证明宇宙中引力波的存在，而且可以知道每一个引力波源的方向和它的主要特性。因为物体波动或伸缩的方向就是引力波源的方向，物体中两点之间的距离在引力波作用下发生的变动，反映引力波的振幅，而波的振幅是它的能量的量度。因此，引力波探测器也就成了引力波望远镜。

引力波望远镜的发展

美国在路易斯安那州和华盛顿州建造了两台激光干涉仪引力波观测台，它们相距3000千米。每个观测台上有一个L形真空管探测臂，长4千米，在管的两端和转弯处有反射镜，让激光束在镜面之间来回反射。激光在弯处的镜面上通过干涉产生明暗条纹光带。如果有引力波通过，由于时空畸变，会使相互垂直的探测臂一个伸长、一个缩短，光带因而发生变化。相隔3000千米设两个观测台，是为了排除地球上地震、雷暴和火车行驶、飞机飞行等各种干扰因素，因为这些因素不可能在两地同时发生。这个观测台2002年开始启用，能探测到10～18米的长度变化。但迄今没有探测到引力波。

美、欧科学家计划在2012年发射航天器，利用太空的广阔距离对引力波进行探测。其方案是，将3对探测器送入太空，让它们组成等边三角形，相邻两对探测器之间的距离为500万千米，它们在地球后面以20度的夹角一起绕太阳运行。3对探测器之间用激光测量距离。如果有引力波传来，它会挤压时空，使3对探测器之间的距离发生微小的变化。灵敏的激光可测出一个原子直径大小的位移。由于它们所占的地域比地球上的探测器大得多，因而可能探测到更多的引力波源；灵敏度也更高，或许能探测到宇宙大爆炸时产生的原始引力波。

现在的各种望远镜，都是通过接收电磁波进行宇宙探测的，但是，在宇宙大爆炸后的头100万年中没有电磁辐射；黑洞一般不发射电磁波；中子星、超新星核等致密星体和 超密物质一般电磁辐射都较弱，通过电磁辐射所能揭示的信息很少。但它们却是最强的引力辐射源。由此可见，引力波望远镜与传统望远镜有很强的互补性；还有，引力波与电磁波不同，它可穿透任何物体，也不被任何物体所吸收，来自遥远引力辐射源的引力波，不会损失任何所携带的信息。因此，引力波望远镜可以探测到许多原始信息。一句话，引力波望远镜为我们探测宇宙开设了一个崭新的窗口。

引力波望远镜的利弊

某些极端天体现象，比如两颗恒星级黑洞相互环绕并逐渐靠近，最终合并为一个大黑洞的过程，如果它们的附近极少气体尘埃和其他星体，那么，我们就不可能从电磁辐射中探知这一过程，而这一过程也没有中微子等其他辐射，探测这一过程的唯一办法就是上述过程中辐射出的引力波。

引力波望远镜的另一好处是它反映的是天体的整体信息，而通常的电磁辐射只反映天体的表层信息，内部的东西几乎是反映不出来的。

缺点是引力波通常极弱，只有少数的极端天体现象中，涉及的质量极大，物质运动的加速度也极大，而且离我们也不太远时，我们才能探测到引力波。这注定引力波望远镜在可预见的未来不会成为主流的常规的天文探测手段。