資料圖：波音公司團(tuán)隊設(shè)計的未來超音速客機(jī)方案
廣義相對論預(yù)言存在引力波
在“廣義相對論”發(fā)表近百年之后的今天，這種神秘莫測的波終于有可能向我們一展真面目。過去一些年里，天文學(xué)家在美國、日本和德國設(shè)置了探測器，后來又在意大利距離比薩市12千米的地方設(shè)置了一個。這座法意合建的探測器名為“Virgo”，2004年正式啟用。這項大工程耗資不菲。Virgo有一條長3千米的隧道，位于意大利比薩市的郊區(qū)，而隧道只是Virgo的“部件”之一。在日本國立天文臺內(nèi)，也有一條直角邊長為300米的等腰直角三角形的隧道，一臺名為“TAMA300”的激光干涉儀型的引力波檢測裝置也開始運轉(zhuǎn)，這是世界上率先搜尋引力波的努力之一。
引力波也稱重力波。早在1916年，愛因斯坦在提出“廣義相對論”時就預(yù)言了引力波的存在。相對論認(rèn)為時間和空間是不可分割的。我們不能再把三維空間與滴答作響的時鐘分別對待，它們其實都是時空結(jié)構(gòu)的組成部分。但廣義相對論的一個推論還有待證實：如果一個物體突然運動，它應(yīng)該以引力波的形式釋放能量，就像鈴鐺搖動時會響一樣。在理論上這適用于所有物體，包括人類。但只有宇宙中體積極大、密度極高的物體──如超新星、塌縮的黑洞和中子星──釋放出的引力波才能被探測到：某個超新星短暫地爆發(fā)出像數(shù)十億個恒星組成的星系一樣明亮的光芒，隨后其碎片紛紛射向宇宙深處。但它的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。超新星會令時空結(jié)構(gòu)發(fā)生震顫，并波及數(shù)百萬光年以外的地方。這種現(xiàn)象被稱為引力波，天文學(xué)家們都努力地想第一個證明它的存在，他們可能最終帶領(lǐng)我們一路追溯到宇宙大爆炸的源頭。
所有理論都需要證據(jù)支持，但尋找證據(jù)非常困難。人們還不能直接探測到引力波，因為它的破壞性能量在廣闊無垠的宇宙空間中被大大“稀釋”了。如果你能靠近一顆超新星，引力波就會把你和周圍的一切撕成碎片。但等引力波到達(dá)地球時，它只能令時空產(chǎn)生最輕微的擾動。要觀測到引力波從技術(shù)上來說難度是無以復(fù)加的，無異于測量銀河的寬度并把結(jié)果的誤差保持在3厘米之內(nèi)。因此甚至愛因斯坦都認(rèn)為引力波可能永遠(yuǎn)也探測不出來。
但引力波的確存在。
建設(shè)“Virgo”歷時6年，費用約為5500萬英鎊。如果把世界上所有探測器的成本加起來，捕捉引力波的代價無疑是天文數(shù)字。
幸虧沒有人認(rèn)為這項工作會徒勞無功。強(qiáng)有力的證據(jù)顯示，引力波不僅是愛因斯坦的假設(shè)。這種證據(jù)來自對中子星的觀察。中子星是巨星爆炸的產(chǎn)物，它們由中子構(gòu)成，通常全部物質(zhì)都壓縮在像一座城市那么大的空間里。有些中子星自轉(zhuǎn)速度極快，間歇性地釋放出無線電波，天文學(xué)家可以利用無線電望遠(yuǎn)鏡識別這些電波。這種中子星被稱為“脈沖星”。
1974年，美國物理學(xué)家約瑟夫·泰勒和盧塞爾·赫爾斯第一次發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星。他們發(fā)現(xiàn)這兩個天體的緊密環(huán)繞正變得越來越接近。盡管變化的幅度很小（大約每年只靠近1厘米），但它的意義卻非同小可。這意味著兩個天體正在損失能量，而且這種軌道變化與相對論的預(yù)測完全吻合。泰勒和赫爾斯認(rèn)為能量正在以引力波的形式釋放，這一發(fā)現(xiàn)使他們獲得了1993年的諾貝爾獎。
引力波探測器原理
Virgo和其他新建的引力波探測器一樣，都是一種大型的激光干涉儀，專門利用引力波的特性來捕捉它。這種特性是：引力波令時空沿一個方向軸拉伸，沿與其垂直的另一個方向軸壓縮。人們可以通過持續(xù)測量這兩個方向上的距離，發(fā)現(xiàn)某一時刻出現(xiàn)在兩個方向上的距離拉伸與壓縮。
就像所有的大型魔術(shù)一樣，科學(xué)家們也利用鏡子來做到這一點。從激光器發(fā)射的光線通過一個分裂器，分裂器把光束分別傳送到L形連接的兩個管道里，形成垂直角度。每個管道盡頭掛有一面鏡子，把兩條光束反射回去，在交點匯合。人們特意改變了兩道光的波長，這樣它們反射回來時正好能互相抵消。這里設(shè)置有一個記錄光線的光電二極管，平時它不會顯示有光出現(xiàn)。但如果有引力波經(jīng)過，兩束光的傳播距離會出現(xiàn)差異。那么當(dāng)兩束光交匯時，波形就不會完全干涉，從而導(dǎo)致發(fā)光。
Virgo的技術(shù)規(guī)格之高令人嘆為觀止。鏡子表面非常光滑，凸凹幅度小于百分之一微米（1微米等于百萬分之一米）。而且它們對光的反射率達(dá)99.999%。激光器也非同尋常，因為它制造的光束是迄今最穩(wěn)定的。
那么，Virgo觀測到引力波的可能性有多大呢？加的夫大學(xué)的班哥拉·沙塔普拉卡什教授說：“我們預(yù)計每年會有一到兩次雙黑洞合并的現(xiàn)象。這些預(yù)測是在不確定的理論基礎(chǔ)上做出來的，因此幾率可能更低。所以如果我們在三四年內(nèi)什么都沒有看到也是不足為奇的。”
在此之后，就是對愛因斯坦理論真實性的檢驗了。人們計劃對Virgo和其他引力波探測器進(jìn)行升級，因此到2010年它們的靈敏度會提高10倍。這可以令觀測范圍擴(kuò)大1000倍，在這么大的區(qū)域里，每年，也許是每天，都應(yīng)該有形成引力波的天體活動。如果人們?nèi)匀灰粺o所獲，那將對天文物理學(xué)產(chǎn)生重大影響。沙塔普拉卡什說，如果還不能發(fā)現(xiàn)引力波，我們將不得不開始懷疑天文物理學(xué)家的某些基礎(chǔ)模型是否正確，例如雙星系統(tǒng)是如何形成的。
蟹狀星云，藍(lán)色部分為錢德拉X射線天文臺拍攝的X射線圖像，紅色部分為可見光圖像，其星云中心附近存在一顆年輕的脈沖星PSR J0534 + 2200，是被寄予很大希望證實為引力波源的天體之一。
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