王柏廬

(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 重慶 400715)

在人類文明的發(fā)展史上，人們都是通過(guò)接收不同波長(zhǎng)、不同類型的電磁波(包括可見(jiàn)光波)來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙的.現(xiàn)在通過(guò)物理學(xué)家的辛勤努力和在物理科學(xué)前沿的不斷探索，人類即將進(jìn)入用引力波(又稱重力波)探索宇宙空間的新的歷史時(shí)期.

1 人類通過(guò)電磁波認(rèn)識(shí)的宇宙

從遠(yuǎn)古時(shí)代(據(jù)今約300萬(wàn)年～公元前21世紀(jì))至中世紀(jì)(約公元476年～公元1453年)末，人類經(jīng)常好奇地用肉眼欣賞夜空中的繁星；古代學(xué)者逐步認(rèn)識(shí)了太陽(yáng)、月亮、恒星和行星在天空中的運(yùn)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(xiě)了許多優(yōu)美的神話故事.

在17世紀(jì)初(1608年)，荷蘭人發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，意大利科學(xué)家伽利略、德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒自制并不斷地改進(jìn)望遠(yuǎn)境，仔細(xì)地觀察星空，不斷地拓展了對(duì)太陽(yáng)系、銀河系的認(rèn)識(shí).開(kāi)普勒通過(guò)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律系統(tǒng)地觀察得到了開(kāi)普勒三大定律，對(duì)牛頓力學(xué)的建立和萬(wàn)有引力定律的論證提供了基本的實(shí)驗(yàn)依據(jù).到此時(shí)人類都是通過(guò)可見(jiàn)光來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙和星空的.

在18～19世紀(jì)，一批杰出的物理學(xué)家，如庫(kù)侖、安培、歐姆，法拉第等研究了電磁運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.1865年麥克斯韋建立了反映電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的麥克斯韋方程組.1888年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在.人們逐步認(rèn)識(shí)到，可見(jiàn)光只是波長(zhǎng)在一狹窄范圍內(nèi)的電磁波.電磁波包括無(wú)線電波(長(zhǎng)波、中波、短波)、紅外線、紫外光、X射線、γ射線等.人們開(kāi)始思考，設(shè)法通過(guò)接收各種無(wú)線電波來(lái)了解宇宙空間.

到20世紀(jì)40年代，開(kāi)始發(fā)展了射電天文學(xué).實(shí)驗(yàn)證實(shí)，從宇宙天體中發(fā)送來(lái)的1 mm～30 m波長(zhǎng)的無(wú)線電波，能夠穿透大氣層，并被射電天文望遠(yuǎn)鏡接收.用這種方法，天文學(xué)家從20世紀(jì)60年代起，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)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(duì)宇宙空間的認(rèn)識(shí).

1990年4月24日，美國(guó)發(fā)射了哈勃空間天文望遠(yuǎn)鏡，用它觀察星空時(shí)，完全避免了地球大氣層對(duì)紫外線和各種射線的吸收，可以接收來(lái)自宇宙空間的電磁波所有波段的信息.用哈勃望遠(yuǎn)鏡探測(cè)太空深處，可以觀察到的是數(shù)以億萬(wàn)計(jì)的星系，每個(gè)星系包含難以計(jì)數(shù)的億萬(wàn)個(gè)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(yáng)系中一個(gè)小小的行星——地球.

2 用引力波觀測(cè)宇宙

愛(ài)因斯坦是牛頓之后最偉大物理學(xué)家.愛(ài)因斯坦對(duì)麥克斯韋建立的電磁場(chǎng)方程組進(jìn)行了分析研究，考慮了邁克耳孫試圖用干涉儀發(fā)現(xiàn)以太和絕對(duì)靜止空間的否定結(jié)果，提出了光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理.于是在1905年建立了狹義相對(duì)論.狹義相對(duì)論要求引入四維時(shí)空，建立新的時(shí)空觀，推出了著名的質(zhì)能關(guān)系E=Mc2，并為實(shí)驗(yàn)充分證實(shí).

愛(ài)因斯坦于1915年又創(chuàng)立了廣義相對(duì)論.廣義相對(duì)論建立的“空間”并不是牛頓和常人理解的“絕對(duì)時(shí)空”，甚至不是狹義相對(duì)論依賴的四維線性空間.廣義相對(duì)論認(rèn)為宇宙中質(zhì)量與能量的分布會(huì)使得時(shí)空變得彎曲或“翹曲”，對(duì)應(yīng)于數(shù)學(xué)上的“黎曼空間”.在這種彎曲的時(shí)間空間中，地球沿著最接近于直線的、稱之為“測(cè)地線”的軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)于在三維空間中觀察到的地球繞太陽(yáng)的圓周運(yùn)動(dòng).因此，如果在短時(shí)間內(nèi)宇宙空間中質(zhì)量和能量的分布發(fā)生劇烈的變化，彎曲的時(shí)-空結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生振蕩.這種振蕩就是愛(ài)因斯坦著名的預(yù)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(zhì)量星體.一對(duì)黑洞(或者一對(duì)中子星)相互環(huán)繞，高速運(yùn)動(dòng)，彼此間的距離不斷減小，速度不斷地增加，其結(jié)果是輻射的引力波頻率不斷地增加，直到一對(duì)黑洞(或一對(duì)中子星)湮滅.從可能接收到的引力波輻射，可望進(jìn)一步了解這種壯觀的、引人入勝的、天體事件的動(dòng)力學(xué)機(jī)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(hào)

(2)超新星爆炸

物理學(xué)家認(rèn)為，無(wú)數(shù)與太陽(yáng)類似的恒星的能量來(lái)源，是星體內(nèi)部包含的各種原子持續(xù)不斷地核反應(yīng)；隨著反應(yīng)物質(zhì)的逐漸減少，這種核反應(yīng)并不會(huì)永遠(yuǎn)地持續(xù)下去.在外部強(qiáng)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(zhì)的白矮星會(huì)以超明亮的超新星的形式爆炸.美國(guó)宇航局(NASA)的一項(xiàng)研究成果認(rèn)為，中國(guó)古代文獻(xiàn)中記錄的公元185年的超新星爆炸，是人類有觀測(cè)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(zhì)達(dá)到一定閾值時(shí)發(fā)生的猛烈的核爆炸.在超新星爆炸時(shí)，發(fā)出強(qiáng)烈的γ射線；同時(shí)由于能量質(zhì)量的急劇變化，可能發(fā)射比較強(qiáng)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(hào)

(3)宇宙大爆炸時(shí)激發(fā)的引力波

依據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和天文觀測(cè)的結(jié)果，使物理學(xué)家可能回顧和預(yù)言宇宙的生命歷程.普遍的觀點(diǎn)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(diǎn)，有1032K以上的高溫，通過(guò)大爆炸宇宙不斷地膨脹.物理學(xué)家觀察到的宇宙微波背景輻射就是宇宙誕生后30～40萬(wàn)年的熱輻射的遺波.而在宇宙大爆炸初期(10-10～1 s)物質(zhì)質(zhì)量的突然涌現(xiàn)，也應(yīng)該伴隨有引力波的“誕生”，這種引力波被科學(xué)家比喻為宇宙嬰兒的“啼哭”聲，應(yīng)該永遠(yuǎn)地蕩漾在整個(gè)宇宙空間中，只不過(guò)已經(jīng)變得十分微弱而已(圖5).

圖5 宇宙大爆炸的引力波信號(hào)

3 引力波的觀測(cè)

3.1 依據(jù)

物理學(xué)家將引力波想象為在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論彎曲的時(shí)間-空間中的漣漪.這種時(shí)空可以比喻為有彈性的蹦床，將質(zhì)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(chǎn)生的漣漪.應(yīng)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(cè)電磁波的通常方法，是看不見(jiàn)引力波的.

3.2 測(cè)量引力波的激光干涉臺(tái)

圖6 激光干涉測(cè)量引力波的原理圖

3.3 引力波觀測(cè)站

觀測(cè)引力波的激光干涉天文臺(tái)(LIGO).世界上最大的引力波觀測(cè)天文臺(tái)，其兩個(gè)干涉臂的臂長(zhǎng)有4 km，位于美國(guó)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(fā)達(dá)國(guó)家也建立了引力波的觀測(cè)臺(tái)、包括意大利的VIRGO、德國(guó)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(cè)器.由于引力波以光速傳播，因而當(dāng)在不同位置的探測(cè)器中觀測(cè)時(shí)，時(shí)間會(huì)稍有差異，通過(guò)對(duì)滯后量的分析，科學(xué)家們可以確定在宇宙中引力波源的位置.

4 對(duì)引力波觀測(cè)結(jié)果的預(yù)期

4.1 預(yù)期結(jié)果

現(xiàn)在全球的物理學(xué)家都在翹首期盼著觀測(cè)引力波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.愛(ài)因斯坦的“狹義相對(duì)論”已經(jīng)得到充分的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，得到人們的公認(rèn).而廣義相對(duì)論雖然在數(shù)理邏輯上十分嚴(yán)謹(jǐn)，并為引力紅移、光線偏折、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)所證實(shí)，但是還不能說(shuō)已經(jīng)成定論.引力波觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)疑是對(duì)廣義相對(duì)論是否成立最關(guān)鍵的檢驗(yàn).

4.2 觀測(cè)引力波的最新實(shí)驗(yàn)報(bào)道

(1)德國(guó)及英國(guó)科學(xué)家用他們聯(lián)合研制的引力波探測(cè)器，連續(xù)進(jìn)行了18個(gè)月的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了引力波并與愛(ài)因斯坦的預(yù)言一致[注]騰訊科技轉(zhuǎn)太空新聞網(wǎng)2006-6-30.

(2)一個(gè)國(guó)際科研小組報(bào)道，他們利用位于美國(guó)的“激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)”，成功地鎖定了引力波的出沒(méi)范圍；不過(guò)顯示的能量值比原有推測(cè)值小得多.這個(gè)團(tuán)隊(duì)包括了全球79所大學(xué)、實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)的眾多科學(xué)家.文章發(fā)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(jìn)展”.

(3)德國(guó)科學(xué)家利用GE600探索引力波，還沒(méi)有觀測(cè)到引力波存在的證據(jù)，而是發(fā)現(xiàn)了大量噪聲.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家雷洛·霍根認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)的不是噪聲，而是時(shí)空在量子級(jí)別的振動(dòng)，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論需要修正[注]《科技時(shí)報(bào)》2011-01-19.

因而觀測(cè)引力波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅將豐富人類對(duì)于宇宙空間的認(rèn)識(shí)，還有可能將物理學(xué)家?guī)霅?ài)因斯坦之后，建立21世紀(jì)更新的物理學(xué)理論.

參考文獻(xiàn)

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

2 史蒂芬·霍金著.許明賢，吳忠超譯.時(shí)間簡(jiǎn)史.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002