引力波

趙崢，1967年畢業于中國科技大學物理系，1981年于北京師范大學天文系獲碩士學位，1987年于布魯塞爾自由大學獲博士學位。曾任北京師范大學研究生院副院長.物理系主任.中國引力與相對論天體物理學會理事長.中國物理學會理事。現為北京師范大學物理系教授，理論物理博士生導師.教育學博士生導師。

在牛頓的萬有引力定律中，引力場的傳播是瞬時的，引力從空間中的一點傳播到另一點不需要時間，或者說引力的傳播速度是無窮大。

在愛因斯坦的廣義相對論中，引力場（即時空彎曲）的傳播速度與真空中的光速相同，都是c。愛因斯坦很快就弄清楚了這一點。因此，作為引力源的物質如果有運動，將使周圍的引力場發生變化，也即時空彎曲情況發生變化，這種變化會以光速傳播到四面八方。這就是引力波。

如果作為引力源的物質是球對稱分布的，而且它只做球對稱的膨脹或收縮，并且在脹縮過程中物質始終保持嚴格的球對稱，那么它周圍的引力場將不會發生變化。也就是說不會有引力波出現。科學家進一步認為，時空中不會存在球對稱的引力波。但是，大家認為非球對稱的引力波應該存在。只要物質的運動不是嚴格保持球對稱，就有可能產生引力波。

愛因斯坦一開始也是這樣想的。但是他后來在具體研究一類物體的運動時，卻算出了這類非球對稱的情況竟然也不產生引力波。愛因斯坦把他的論文投給了美國的《物理評論》雜志，這個雜志當時已是美國最重要的物理雜志，同時也是全世界最重要的物理雜志之一。《物理評論》雜志有審稿的規定，所有的稿件都要請有關專家審查，審查通過才能發表。于是，雜志編輯部把愛因斯坦的論文寄給了一位懂廣義相對論的專家，請他審閱。這位專家認真審閱了愛因斯坦的文章，認為論文有誤，他寫了10頁的審稿意見，指出愛因斯坦論文中的錯誤。編輯部把審稿意見寄給了愛因斯坦。

在給愛因斯坦的信中，編輯部說：“尊敬的愛因斯坦教授，我們把您的文章寄給了一位專家，請他評審。他審查后認為您的文章有錯誤，現把他的審稿意見附給您，供您參考。”編輯部同時指出，“在您根據審稿意見修改之前，或者您駁倒他的審稿意見之前，我們不能刊登您的文章。”

愛因斯坦一看來信，簡直火冒三丈：你們也不看看我是誰，還請一位“專家”審我的稿，他能有我水平高嗎？這個專家也是不知趣，居然寫了長達10頁的審稿意見……愛因斯坦越想越氣，他沒有細看審稿意見就提筆給編輯部寫了回信：“尊敬的編輯先生，非常抱歉，我不知道貴刊還需要審稿。我沒有授權你們把我的稿件給別人看。請把稿子退還給我……”

愛因斯坦收到退回的稿件后，余怒未消，把稿件擱置到一邊不再看，就去研究別的問題去了。過了一段時間，愛因斯坦的老朋友英菲爾德來訪。愛因斯坦就把自己懶得看的審稿意見和論文一起給了英菲爾德，請他看一下，發表一下意見。

英菲爾德這個人水平不很高，看了一下沒有看明白。他忽然想起有一位叫羅伯遜的教授正在研究宇宙論，他應該懂廣義相對論，因為他研究宇宙論需要用廣義相對論做工具，而且他就在此地工作。于是英菲爾德會見了羅伯遜，把愛因斯坦的文章和審稿意見一起給了羅伯遜，請他看一下，發表一下意見。羅伯遜看了一會兒，就用手指著論文對英菲爾德說，你看這個地方是不是有錯？還有這個地方……英菲爾德聽他一講，很快明白了，愛因斯坦的論文確實有錯，審稿意見是對的。

英菲爾德趕緊去見愛因斯坦，把羅伯遜的意見講了一下。愛因斯坦一聽，自己的論文真的有錯誤，于是就把論文作了修改，這一改，結論就變成有引力波了。愛因斯坦在論文的最后，表示了對羅伯遜教授和英菲爾德先生的感謝。然后他把修改后的論文投給了另一個雜志。愛因斯坦還在生《物理評論》的氣，不僅這篇稿沒有再給《物理評論》，而且此后再也沒有主動給《物理評論》投過其他稿。

《物理評論》的審稿是“背靠背”的，編輯部對審稿人的信息保密，因此論文作者只能看到審稿意見，但不知道審稿人是誰。保密期限是60年。現在，60年過去了，《物理評論》編輯部公布了愛因斯坦論文審稿的秘密，愛因斯坦惱火的審稿人正是他在修改稿中感謝的羅伯遜教授。

20世紀五六十年代，美國物理學家、馬里蘭大學教授韋伯，曾進行引力波的探尋。他一方面用廣義相對論對引力波及其探測技術做了深入研究，另一方面實際安裝了兩個探測引力波的裝置，一個放在美國西部，另一個放在美國東部。1969年，這兩個裝置同時接收到頻率為1660赫茲的信號，韋伯以為自己觀測到了來自銀河系中心的引力波。后來的分析表明，如果銀河系中心有如此強的引力波輻射，銀河系自身的質量早就輻射光了。而且，此后設計的比韋伯當年的儀器精密度高得多的裝置，再也沒有接收到類似的信號。所以，學術界認為，韋伯觀測到的信號肯定不是引力波。

此后又有人設計了不同的裝置，但都沒有找到引力波。一個驚喜的“突破”出現在1978年，在這一年舉行的得克薩斯天體物理討論會（這次會議在德國舉辦）上，美國天體物理學家泰勒和休斯宣布，他們通過對脈沖雙星PSRl913+16運轉周期的觀測，間接發現了引力波的存在。

他們通過4年的精確觀測發現，這對致密雙星（其中至少一顆是脈沖星，即中子星）的運轉周期，每年減少萬分之一秒。泰勒等人假定這是由于雙星運轉發射引力波，引力波導致雙星動能減少，從而造成轉動周期縮短。他們用廣義相對論仔細計算了這對雙星引力波輻射的能量，結果表明，算出的引力輻射導致的能量損失，恰好會使雙星周期每年縮短萬分之一秒左右，與觀測結果很好相符。

泰勒作完報告后，全場掌聲雷動，持續了好幾分鐘。這表明大多數與會學者都認為他們確實觀測到了引力波。1993年，他們由于對脈沖雙星的研究獲得了諾貝爾物理獎，但頒獎詞中沒有明確說他們發現了引力波。這是諾貝爾獎評委會謹慎的表現，因為這對雙星畢竟離我們太遠，而且泰勒他們測量與計算的相對誤差也還比較大。

泰勒當時公布了觀測結果和計算結果，但沒有公布計算引力波的具體方法和過程。1980年，筆者正作為碩士研究生追隨劉遼先生學習廣義相對論，劉遼先生讓我的師弟桂元星和我一起計算一下這對雙星的引力輻射。他向我們建議了計算方案。經過仔細計算，我們得到了與泰勒等人一致的結果。

現在，相對論界認為，泰勒等人對脈沖星的研究結果，是對引力波的一個證明，但只是一個間接的證明。

目前一些相對論專家和實驗物理專家正在籌劃對引力波的直接觀測。不少人注意到引力波的一個特點：引力波的橫截面的形狀會發生明顯的“剪切”變化。如圖2所示，如果取一束引力波的橫截面進行觀察，假定取的橫截面是個圓面，那么它一定會變扁，而且變扁的方向會不斷交替。例如，先是BF方向收縮、HD方向拉伸，然后又HD方向收縮、BF方向拉伸。

一些科學家建議，可以一次發射6顆人造衛星，排成一個正六邊形，如果有垂直于六邊形的引力波射來，那么六邊形就會在引力波的作用下，不斷交替變扁，這樣就可以確認引力波的到來了。

另一些科學家主張在地下挖十字形的溝，裝上精密的光學干涉儀，如果有垂直于十字面的引力波到來，相互垂直的光路的光程將交替伸縮，這樣也可以確認引力波的到來。他們還建議對裝置抽高真空，以完成精確觀測。

然而，這兩個方案都需要花費巨資，而且誰也不敢打保票一定就能觀測到引力波，所以這些方案都還在仔細醞釀中。

總之，重要的引力波至今尚未觀測到。也有少數人認為，引力波可能根本就不存在。有關研究還在繼續進行中。

（本專欄文章內容成稿于2015年，而在今年，2016年2月11日，愛因斯坦提出廣義相對論并預言引力波的存在100周年之際，LIG0（激光干涉引力波天文臺）團隊在美國宣布，在經過5年的系統升級之后完成人類歷史上首個引力波直接探測結果。根據探測信號，這束引力波來自位于南天的距地球約13億光年的雙黑洞——編者注）