用引力波探索宇宙空間的新進展

王柏廬

(西南大學物理科學與技術學院 重慶 400715)

在人類文明的發展史上，人們都是通過接收不同波長、不同類型的電磁波(包括可見光波)來認識宇宙的.現在通過物理學家的辛勤努力和在物理科學前沿的不斷探索，人類即將進入用引力波(又稱重力波)探索宇宙空間的新的歷史時期.

1 人類通過電磁波認識的宇宙

從遠古時代(據今約300萬年～公元前21世紀)至中世紀(約公元476年～公元1453年)末，人類經常好奇地用肉眼欣賞夜空中的繁星；古代學者逐步認識了太陽、月亮、恒星和行星在天空中的運行方式.除銀河外，他們把眾多明亮的恒星按在天空中的位置分為不同的星座，還編寫了許多優美的神話故事.

在17世紀初(1608年)，荷蘭人發明了望遠鏡，意大利科學家伽利略、德國天文學家開普勒自制并不斷地改進望遠境，仔細地觀察星空，不斷地拓展了對太陽系、銀河系的認識.開普勒通過對行星運動規律系統地觀察得到了開普勒三大定律，對牛頓力學的建立和萬有引力定律的論證提供了基本的實驗依據.到此時人類都是通過可見光來認識宇宙和星空的.

在18～19世紀，一批杰出的物理學家，如庫侖、安培、歐姆，法拉第等研究了電磁運動的實驗規律.1865年麥克斯韋建立了反映電磁場運動規律的麥克斯韋方程組.1888年赫茲用實驗證實了電磁波的存在.人們逐步認識到，可見光只是波長在一狹窄范圍內的電磁波.電磁波包括無線電波(長波、中波、短波)、紅外線、紫外光、X射線、γ射線等.人們開始思考，設法通過接收各種無線電波來了解宇宙空間.

到20世紀40年代，開始發展了射電天文學.實驗證實，從宇宙天體中發送來的1 mm～30 m波長的無線電波，能夠穿透大氣層，并被射電天文望遠鏡接收.用這種方法，天文學家從20世紀60年代起，陸續發現了類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射 ，拓展了人類對宇宙空間的認識.

1990年4月24日，美國發射了哈勃空間天文望遠鏡，用它觀察星空時，完全避免了地球大氣層對紫外線和各種射線的吸收，可以接收來自宇宙空間的電磁波所有波段的信息.用哈勃望遠鏡探測太空深處，可以觀察到的是數以億萬計的星系，每個星系包含難以計數的億萬個恒星，真是星光奪目，多姿多彩.我們生活的地方，僅僅是在銀河星系的太陽系中一個小小的行星——地球.

2 用引力波觀測宇宙

愛因斯坦是牛頓之后最偉大物理學家.愛因斯坦對麥克斯韋建立的電磁場方程組進行了分析研究，考慮了邁克耳孫試圖用干涉儀發現以太和絕對靜止空間的否定結果，提出了光速不變原理和相對性原理.于是在1905年建立了狹義相對論.狹義相對論要求引入四維時空，建立新的時空觀，推出了著名的質能關系E=Mc2，并為實驗充分證實.

愛因斯坦于1915年又創立了廣義相對論.廣義相對論建立的“空間”并不是牛頓和常人理解的“絕對時空”，甚至不是狹義相對論依賴的四維線性空間.廣義相對論認為宇宙中質量與能量的分布會使得時空變得彎曲或“翹曲”，對應于數學上的“黎曼空間”.在這種彎曲的時間空間中，地球沿著最接近于直線的、稱之為“測地線”的軌道運動，對應于在三維空間中觀察到的地球繞太陽的圓周運動.因此，如果在短時間內宇宙空間中質量和能量的分布發生劇烈的變化，彎曲的時-空結構將會發生振蕩.這種振蕩就是愛因斯坦著名的預言——引力波.引力波以光速c傳播.

2.1 幾種可能的引力波源

(1)雙星碰撞并湮滅

黑洞和中子星都是宇宙空間中的超大質量星體.一對黑洞(或者一對中子星)相互環繞，高速運動，彼此間的距離不斷減小，速度不斷地增加，其結果是輻射的引力波頻率不斷地增加，直到一對黑洞(或一對中子星)湮滅.從可能接收到的引力波輻射，可望進一步了解這種壯觀的、引人入勝的、天體事件的動力學機制(圖1，2).

圖1 雙星碰撞并湮滅示意圖

圖2 雙星碰撞并湮滅的引力波信號

(2)超新星爆炸

物理學家認為，無數與太陽類似的恒星的能量來源，是星體內部包含的各種原子持續不斷地核反應；隨著反應物質的逐漸減少，這種核反應并不會永遠地持續下去.在外部強大壓力的擠壓下，星體將坍縮成為與白矮星(中子星)式的密集恒星.之后從伴星中虹吸物質的白矮星會以超明亮的超新星的形式爆炸.美國宇航局(NASA)的一項研究成果認為，中國古代文獻中記錄的公元185年的超新星爆炸，是人類有觀測記錄的第一次超新星爆炸，它是“熱核爆炸”型超新星(Iα型)，是白矮星吸積伴星物質達到一定閾值時發生的猛烈的核爆炸.在超新星爆炸時，發出強烈的γ射線；同時由于能量質量的急劇變化，可能發射比較強烈的引力波(圖3，4).

圖3 超新星爆炸

圖4 超新星爆炸的引力波信號

(3)宇宙大爆炸時激發的引力波

依據愛因斯坦的廣義相對論和天文觀測的結果，使物理學家可能回顧和預言宇宙的生命歷程.普遍的觀點是，我們的宇宙并不是永恒不變的，而是起源于宇宙初始的一次“大爆炸”.在大約150億年前，宇宙密集于初始點，有1032K以上的高溫，通過大爆炸宇宙不斷地膨脹.物理學家觀察到的宇宙微波背景輻射就是宇宙誕生后30～40萬年的熱輻射的遺波.而在宇宙大爆炸初期(10-10～1 s)物質質量的突然涌現，也應該伴隨有引力波的“誕生”，這種引力波被科學家比喻為宇宙嬰兒的“啼哭”聲，應該永遠地蕩漾在整個宇宙空間中，只不過已經變得十分微弱而已(圖5).

圖5 宇宙大爆炸的引力波信號

3 引力波的觀測

3.1 依據

物理學家將引力波想象為在愛因斯坦廣義相對論彎曲的時間-空間中的漣漪.這種時空可以比喻為有彈性的蹦床，將質量能量的變化比喻為投擲在蹦床上的保齡球，則引力波就是震蕩在蹦床上產生的漣漪.應該注意：引力波與電磁波不同，它不能被宇宙中的物體所吸收，也不能被反射，因此用觀測電磁波的通常方法，是看不見引力波的.

3.2 測量引力波的激光干涉臺

圖6 激光干涉測量引力波的原理圖

3.3 引力波觀測站

觀測引力波的激光干涉天文臺(LIGO).世界上最大的引力波觀測天文臺，其兩個干涉臂的臂長有4 km，位于美國華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓.世界上另一些發達國家也建立了引力波的觀測臺、包括意大利的VIRGO、德國的GEO600、日本的TAMA300等.

為了確定引力波源確切的位置，需要多極引力波探測器.由于引力波以光速傳播，因而當在不同位置的探測器中觀測時，時間會稍有差異，通過對滯后量的分析，科學家們可以確定在宇宙中引力波源的位置.

4 對引力波觀測結果的預期

4.1 預期結果

現在全球的物理學家都在翹首期盼著觀測引力波的實驗結果.愛因斯坦的“狹義相對論”已經得到充分的實驗證實，得到人們的公認.而廣義相對論雖然在數理邏輯上十分嚴謹，并為引力紅移、光線偏折、水星近日點進動所證實，但是還不能說已經成定論.引力波觀察的實驗結果無疑是對廣義相對論是否成立最關鍵的檢驗.

4.2 觀測引力波的最新實驗報道

(1)德國及英國科學家用他們聯合研制的引力波探測器，連續進行了18個月的探測，發現了引力波并與愛因斯坦的預言一致[注]騰訊科技轉太空新聞網2006-6-30.

(2)一個國際科研小組報道，他們利用位于美國的“激光干涉引力波觀測臺”，成功地鎖定了引力波的出沒范圍；不過顯示的能量值比原有推測值小得多.這個團隊包括了全球79所大學、實驗室和研究機構的眾多科學家.文章發表于2011年8月20日出版的《自然》雜志上，并稱其為尋找引力波的“第一次有意義的進展”.

(3)德國科學家利用GE600探索引力波，還沒有觀測到引力波存在的證據，而是發現了大量噪聲.費米實驗室科學家雷洛·霍根認為，發現的不是噪聲，而是時空在量子級別的振動，愛因斯坦的廣義相對論需要修正[注]《科技時報》2011-01-19.

因而觀測引力波的實驗結果，不僅將豐富人類對于宇宙空間的認識，還有可能將物理學家帶入愛因斯坦之后，建立21世紀更新的物理學理論.

參考文獻

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

2 史蒂芬·霍金著.許明賢，吳忠超譯.時間簡史.長沙：湖南科學技術出版社，2002