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相对论和引力波

为什么苹果总是垂直地落到地面?为什么不从侧面又或是向上,而是永远朝向地球的中心?一定有某种力量把苹果垂直地拉向地面。这种力量甚至可以延伸到更远的距离以至于整个广袤的宇宙空间。正是引力把宇宙中的物质聚集在一起,孕育了璀璨的宇宙结构乃至生命。

两个黑洞

1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中正式发表了他的引力理论:“宇宙中每个质点都以一种力吸引着其它各个质点。这种力与各质点的质量乘积成正比,与它们之间的距离平方成反比。”引力并非只存在于特定的质点之间,而是普遍存在于宇宙中任何两个质点之间。因此引力是“万有的”。那个时代的人们信奉绝对的时空观:时间就是时间、空间就是空间,这两者是截然不同的两个概念。在牛顿引力理论中质点间引力相互作用的传递不需要时间,而是在空间上瞬间传递。这种观念主导了之后两百多年人类对引力的认知。

直到1905年,爱因斯坦提出狭义相对论才打破自牛顿以来建立的绝对时空观。在狭义相对论中,时间和空间不再是完全独立的概念:时间和空间是相对的。无论光源如何运动,真空中的光速对于不同的观测者都是有限且一样的,而且任何相互作用的传递都不能超过光速。这明显与牛顿引力理论相冲突。

为了协调牛顿引力理论和狭义相对论,1915年爱因斯坦提出了广义相对论。引力被解释为时空几何的弯曲,这种弯曲又直接由时空中物质的能量动量张量决定。地球对苹果的引力源于地球巨大的质量扭曲了地球周围的时空,苹果在被地球扭曲的时空背景上向着地心运动。就像在一张蹦床中间放置一个铅球,这个铅球改变了蹦床的形状。如果再在蹦床上放置一个网球,那么这个网球就会向着这个铅球的中心滚落。看上去就像是这个铅球在吸引着这个网球向它靠拢。对普罗大众而言,广义相对论听起来像是一个高度抽象而又与大家每天的生活完全无关的理论。事实绝非如此!比如现在广泛使用的全球定位系统就需要计入狭义和广义相对论的修正才得以实时地精准测定地面上物体的位置。

在牛顿引力理论中引力是瞬时传播的,因此没有引力波。但是,在广义相对论中物质对时空几何的影响不是瞬时的,引力相互作用传递的速度不能超过光速。这种传播速度的限制导致引力波的存在。加速一个有质量的物体时,这个物体所产生的时空弯曲所发生的变化会以光速像波一样向外传播。这就是引力波。1916年爱因斯坦写下了广义相对论中引力波的精确公式,从而预言存在以光速传播的引力波。

发现引力波不仅为了证实引力波和爱因斯坦的引力理论,而在于它开启了一个全新的方式去窥视宇宙的奥秘。人类从此可以摆脱完全依赖电磁信号(包括可见光和射电)来探索宇宙的单一方法。事实上,宇宙中有很多物理过程很难用电磁信号来探究。经典意义下黑洞是黑的,它完全不发光,因此光信号并不能很好地帮助我们了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金辐射存在,一个宏观的黑洞所产生的霍金辐射也太过于细微而无法察觉。

引力波的产生

此外,在年龄小于38万年的宇宙中充满了带电的粒子,这些粒子和光强烈的耦合在一起,以至于光都无法在宇宙中自由地传播。因此光信号也不能穿透到宇宙的早期。但是,引力是万有的,引力波可以在真空又或是充斥着致密物质的区域中自由传播,无法阻隔。因此引力波可以直接携带大量有关黑洞、中子星、超新星的核心,以及宇宙起源等等的信息,甚至于最终帮助我们理解极为深奥的时空的本质。

20世纪70年代,美国科学家罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星组成的双星系统,以极其紧密而快速的模式互相环绕对方,并且呈现了渐进式的旋近。根据广义相对论,此双星系统会以辐射引力波的形式损失能量,从而导致轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。观测的结果表明旋近周期的变化恰好是广义相对论所预期的值。尽管引力波给予此双星系统周期变化提供一个合理的解释,但是并没有直接观测到引力波造成的时空的扭曲,因此只能认为是为引力波的存在提供一个间接的证据。

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