談談引力波

金仲輝

中學生張華問：“近日報載美國科學家第一次直接探測到引力波的存在，何謂引力波，它的發現有什么意義？”

我們先來了解電磁波是如何產生的，一個靜止的電荷在其周圍空間產生了一個電場，當這個電荷做加速運動，它就在空間產生了變化的電場和磁場，這種變化的電場和磁場會在空間傳播出去。即形成所謂的電磁波，與電場類似。一個物體在其周圍空間會產生一個引力場。這個引力場對另一個物體產生力，這就是著名的萬有引力，愛因斯坦在1916年提出的廣義相對論預言，一個物體做加速運動時，會在空間產生類似電磁波的引力波，它攜帶著一定的能量。且以光的速度傳播。

因為一般物體加速運動所產生的引力波是極其微弱的，所以無法用人工實驗來證實引力波存在，宇宙中一些天體的質量十分巨大，它們的加速運動就有可能產生大強度的引力波，但這些天體距地球十分遙遠，所以檢測到引力波并非易事，1968年，一位名為韋伯的物理學家曾設計制作了一種引力波天線，并聲稱在近三個月的觀察中曾兩次接收到引力波信號，然而其他各國的實驗小組都沒有重復觀測到韋伯的結果，因而他的發現沒有得到公認，物理學家泰勒等人利用巨大的天線裝置，對一個雙致密星和它的一顆伴星之間的運動進行了四年多的監視性觀測，1978年，他們確認了這顆雙星的公轉周期在穩定地變短，這是由于它們產生出引力波使雙星的能量有所減少造成的，這個觀測結果間接證實了引力波的存在，為此美國物理學家泰勒和赫爾斯獲得1993年度的諾貝爾物理學獎。

2016年2月11日美國科學家在華盛頓的記者招待會上宣布，2015年9月14日北京時間17時50分45秒。位于利文斯頓和漢福德的兩臺大型激光干涉引力探測器幾乎同時觀察到由兩個黑洞碰撞合并產生的引力波信號，持續時間不到1s，據研究人員估計。這兩個黑洞的質量分別約為36個和29個太陽質量，合并后的總質量為62個太陽質量，3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1s的時間內釋放，它經過約13億年的時間才傳播至地球，瞬間釋放出的引力波能量雖然十分巨大，但經過了13億光年傳播到地球，已十分微弱，需要極為靈敏的探測器來探測。

直接探測到引力波的存在。它的意義不僅僅在于證實了100年前愛因斯坦提出廣義相對論中引力波的預言，而且它提供了一種全新的方法來了解宇宙的起源和運行機制，今后我們觀察宇宙不僅可以利用電磁波，還可以利用引力波，我國以中山大學為核心的科研機構在2015年7月啟動了探測引力波的“天琴計劃”。