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既平常又神秘的万有引力（4）
时间:2015-6-25 　　　　点击率:213

编者按：力学研究所林烈研究员参与了中国科学院21世纪科普丛书的撰写工作。该丛书的《我们的宇宙有多大》分册中发表了他的科普文章“既平常又神秘的万有引力”。承蒙林烈研究员的盛意，本刊在此转载，以飨青少年读者。

既平常又神秘的万有引力（4）

林烈

在前一期中，介绍了相对论和GPS的关系，这一期里，我们就来说说科学家寻找引力波的故事。

爱因斯坦未竟的宇宙交响乐

相对论所做出的一些预言，有的已经得到了证实，有的至今还没有答案。

下面我们就来说说关于寻找引力波的故事。什么是引力波呢？引力波是指在一个具有质量、并且运动着的物体周围存在着的一种时空波动。这是爱因斯坦根据广义相对论的原理做出的一个预言。我们不妨把引力波比喻成一部有关宇宙的交响乐章。

图1 引力波是一种时空本身的波动

大家知道，爱因斯坦是二十世纪最伟大的科学家之一，他也是一位音乐爱好者，一生醉心于欧洲的古典音乐，特别喜欢巴赫及莫扎特的作品。他学习过小提琴及钢琴等乐器，演奏技术也相当娴熟。在他的一生中，那把小提琴一直陪伴着他，每当闲暇的时候，他就会拿出来拉上一曲，放松一下自己。据说，有一次为了给某个人道组织募款，他还举办过个人音乐会。

这里，我们不是要讲述爱因斯坦的音乐素养或者探寻他曾经谱写过什么有关宇宙的交响乐章，我们要讨论的是，广义相对论中有关引力波的这首宇宙交响乐，以及一些科学家为了“聆听”这首宇宙交响乐所做出的种种努力。这里为什么要把引力波比喻成交响乐呢？因为，这种引力波的频率有一部分正好处在声波的范围之内，如果我们能捕捉到来自宇宙深处的引力波信号，那它一定是一首美妙绝伦的天外交响乐。这样美好的乐曲，就如杜甫在《赠花卿》诗里所描述的：“此曲只应天上有，人间能得几回闻！”遗憾的是，几十年来，不少科学家为了捕获心目中的这部神圣乐章，历尽了无数艰难坎坷，消耗了人生的美好岁月，却始终未能听到这种梦寐以求的天籁之音。下面我们来看看，科学家们为了能“欣赏”到爱因斯坦的这首宇宙交响乐，在寻找它的这条崎岖道路上，所付出的汗水和心血。

图2 正在演奏小提琴的爱因斯坦

广义相对论将引力的作用转化为时空的变化，即物质及能量的存在决定了时空的形状。爱因斯坦本人早就预言，根据广义相对论，宇宙中应该存在着引力波。这种引力波，不同于声波、电磁波等其他类型的波，它是时空本身的一种波动。引力波属于横波，在它的传播途径上，时空会瞬间被压缩或拉伸，但这个幅度非常小。科学家估计，如果有两个距离地球几万光年的黑洞，当他们发生碰撞时产生的引力波信号到达地球时，仅能使一米长的物体产生10－18米的变形，这个尺寸只相当于一个质子直径的几千分之一。这样微小的变化，给测量带来了巨大的困难。

引力波的研究对于那些从事宇宙学研究的人来说有着重要的意义。前文中我们曾经提到，宇宙是起源于一次大爆炸，研究大爆炸起点的情况，对于科学家来说具有无比的吸引力。但在大爆炸初期，宇宙中充满着各种辐射，它并不透明，也就是说电磁波无法透过这些区域。因此，目前的探测手段都无法获取那时的信息。但对于引力波来说，它的传播不受宇宙是否透明的影响，这样，我们就可以通过引力波的探测来获取大爆炸初期的一些信息，科学家对此寄予了希望。

目前，我们所处的宇宙空间，应该存在着各种各样的引力波信号，但如何才能接收到这些信号呢？对于一个静止不动的天体来说，虽然它的四周存在着时空的弯曲，但这个弯曲处于不变状态，它就像电学里的一个“直流信号”，不便接收和处理。但当质量巨大的天体在宇宙中发生突然的喷发（即其质量发生突变）或者在空间作激烈的运动时，它周围的时空就会发生相应的波动，这种波动将是一个“交流信号”，接收这种引力波信号相对比较容易，接收的仪器也容易对这种交流信号进行处理和放大。这就像一个蹦床运动员，当他站在蹦床上时，蹦床虽然有一个弯曲面，但没有随时间而变化，只有当运动员上下蹦跳时，蹦床才会产生上下波动。

图3 蹦床运动