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  • 引力辐射

    引力辐射是:众所周知运动的电磁场会产生电磁辐射和电磁波。大家也知道任何物质都有引力,形成引力场,质量越大,引力场越强。爱因斯坦在1916年预言,加速运动的质量(即引力场)会产生引力辐射或引力振荡,也就是会向外发射引力波。不过,引力波一般很微弱,很难探测到。只有大质量天体的激烈活动才产生很强的引力波,如双星系统的公转、中子星的快速自转、超新星爆发、黑洞碰撞和捕获物质等过程。1974年,天文学家发现天鹰座一双星脉冲星(旋转的中子星),它们距地球1.7万光年,由于高速相互绕转,应该发射引力波。而引力波会带走能量,它们的运行轨道会缓慢地衰减,即以螺旋轨道相互靠近。天文学家为此一直在进行测量。1978年,终于测得它们的轨道衰减率,而且正好与爱因斯坦广义相对论预言的一致。这被认为是对引力波理论的第一个观测证明。

    编辑摘要

    gravitational radiation

    质量的物体按某些特定方式运动时在时空结构中引起的波动。与加速度和轨道运动相关联的引力辐射是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论所预言的,并以光速传播。该理论认为,除了有强引力场的地域外,引力辐射完全可以忽略;虽然引力辐射还没有直接探测到,但它的存在已由1980年代的脉冲双星观测得到证实。

    用一张拉紧的橡皮膜代表时空,并将物质想像为镶嵌在橡皮膜中的密实团块,就可以很清楚地说明引力辐射的起源。当一个团块振动时,它通过橡皮膜发出波动,这些波动将引起其他物质团块振动起来。这与振动的带电粒子以波的形式发出电磁辐射,引起其他带电粒子振动起来很相似;但是引力辐射极难探测,因为它的强度只有电磁辐射的引力辐射10^3^8分之一。

    一种探测引力辐射的方法是在尽可能不受其他任何振动源影响的地方悬挂一根大物质棒,并用灵敏仪器进行监测,看它是否显示引力波经过时必然产生的干扰。1960和1970年代曾用巨大铝棒做过这类开创性实验,其灵敏度之高能够监测出实验室外面街上驶过的车辆引起的棒的振动,但这些实验都未能证认出引力辐射的‘信号’。这并不奇怪,因为如果爱因斯坦理论正确,地球附近的任何引力辐射都过于微弱,无法产生可测知的棒振动。然而进行此类实验是值得的,通过这些实验可以弄明白是否还有爱因斯坦理论未曾预言的现象,也能探寻可用于更灵敏引力辐射探测器的新方法。这样的探测器目前正在建造之中,如果能按计划投入使用,而爱因斯坦理论是正确的话,则可望在21世纪初探测到引力波。

    有两类引力辐射源应该能够在时空中引起强到足以用下一代仪器进行探测的波动。一类是大质量恒星的外层发生超新星爆发、内核坍缩成中子黑洞的事件。这种事件按人类时间尺度是极为稀罕的,但银河系中不时会发生可测知的超新星——平均大约每25年一次。当出现超新星时,它们应在很短时间内产生大量引力辐射——一次持续仅仅5微秒的爆发式辐射的能量与太阳全部质量相当

    (引力辐射mc^2)(作为比较,地球在其绕太阳轨道上运动产生的引力辐射功率仅仅200瓦,相当于一枚普通灯泡输出的功率)。

    即使这样的事件发生在1万秒差距之外的银河系中心附近,它产生的引力辐射中到达地球的部分在数量上相当于我们在大约100秒钟内从太阳接收到的整个波谱范围的电磁辐射能量。这样的爆发应该比较容易探测。但由于此类事件十分罕见,所以直接观测引力辐射的首选目标是探测脉冲双星那样由两颗互相绕转的极致密恒星组成的系统产生的引力辐射。

    这样一个系统很像极端形式的举重运动员的杠铃。从绕转平面观察,它产生的引力波可以根据对同一平面内的圆环的影响而显现出来。物理学家称这种辐射为‘四极辐射’。

    四极辐射可借助电荷的辐射予以最简单的说明。一正一负的一对电荷构成一个偶极子,当这两个电荷运动(向内向外的振动,或互相绕转)时,它们产生偶极电磁辐射。偶极子尽管能以这种方式辐射,它整体上则是电中性的。

    一对偶极子构成一个含两个正电荷和两个负电荷的四极子。当四极子中的电荷以合适方式运动时(比如一个偶极子绕另一个转动),它们产生四极辐射。然而与电荷不同的是,质量只有一种‘符号’,所以没有与偶极电磁辐射对应的引力辐射。互相绕转的两个质量的行为类似一对偶极子,它们产生的引力辐射可通过对前面提到的那个圆环的影响而显现出来。

    当引力波经过时,圆环在一个方向上被压缩而同时又在与之成直角的另一方向上被拉伸,使它变形为一个椭圆环。然后反过来,先恢复到起初的圆形,随即变形为与第一个椭圆垂直的椭圆。这种在成直角的两个方向的交替压缩和拉伸是四极辐射的特有性质。要探测这样的辐射,你只需要用摆放成直角形‘L’的三个质量,来监测引力波经过时引起的时空畸变。当然你还需要一些很精密的测量仪器。

    新一代引力辐射探测器打算采用的办法,是将三个作为试验质量的重物摆放在数公里长的地下真空管道中。试验质量表面抛光成反射镜面,并用激光束进行监测。激光束在真空管道中射向镜面并反射,从探测器两臂出来的激光束会聚到一台干涉仪,后者利用激光的波长测量出试验质量位置的变化。典型设计的管道长3公里,每条管道两端的试验质量之间距离变化的测量精度高达引力辐射10^-^1^8米——小于一个原子核的直径。

    整个实验很像19世纪初试图检测地球相对于以太的运动但以失败告终的迈克耳孙-莫雷实验

    更大规模的类似探测系统最终有可能建造在空间或月球上。目前,作为准备,天文学家对遥远太空飞行器(如旅行者空间探测器)位置进行检查,他们测量飞行器无线电信号的多普勒效应,看是否受到引力波的干扰。但至今尚未观测到这种干扰。

    所有这些探测引力辐射的实验计划很可能由一种完全不同的办法取代。根据暴涨理论的某些版本,在大爆炸之后约30万年、宇宙还很年轻、物质与背景辐射之间发生最后的直接相互作用时,引力波和物质之间的相互作用应该已经在宇宙物质分布中造成了一种特有的结构。果真如此,这一结构就应该作为化石遗迹保存在背景辐射自身之中,因而有可能在几年之内,在使用诸如COBE卫星仪器和地面探测器所做的观测得到改进后,而被探测到。背景辐射中的涟漪可能包含了关于时空结构中涟漪的信息。

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