相對論和引力波

06-21

為什麼蘋果總是垂直地落到地面？為什麼不從側面又或是向上，而是永遠朝向地球的中心？一定有某種力量把蘋果垂直地拉向地面。這種力量甚至可以延伸到更遠的距離以至於整個廣袤的宇宙空間。正是引力把宇宙中的物質聚集在一起，孕育了璀璨的宇宙結構乃至生命。

兩個黑洞

1687年，牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中正式發表了他的引力理論：「宇宙中每個質點都以一種力吸引著其它各個質點。這種力與各質點的質量乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比。」引力並非只存在於特定的質點之間，而是普遍存在於宇宙中任何兩個質點之間。因此引力是「萬有的」。那個時代的人們信奉絕對的時空觀：時間就是時間、空間就是空間，這兩者是截然不同的兩個概念。在牛頓引力理論中質點間引力相互作用的傳遞不需要時間，而是在空間上瞬間傳遞。這種觀念主導了之後兩百多年人類對引力的認知。

直到1905年，愛因斯坦提出狹義相對論才打破自牛頓以來建立的絕對時空觀。在狹義相對論中，時間和空間不再是完全獨立的概念：時間和空間是相對的。無論光源如何運動，真空中的光速對於不同的觀測者都是有限且一樣的，而且任何相互作用的傳遞都不能超過光速。這明顯與牛頓引力理論相衝突。

為了協調牛頓引力理論和狹義相對論，1915年愛因斯坦提出了廣義相對論。引力被解釋為時空幾何的彎曲，這種彎曲又直接由時空中物質的能量動量張量決定。地球對蘋果的引力源於地球巨大的質量扭曲了地球周圍的時空，蘋果在被地球扭曲的時空背景上向著地心運動。就像在一張蹦床中間放置一個鉛球，這個鉛球改變了蹦床的形狀。如果再在蹦床上放置一個網球，那麼這個網球就會向著這個鉛球的中心滾落。看上去就像是這個鉛球在吸引著這個網球向它靠攏。對普羅大眾而言，廣義相對論聽起來像是一個高度抽象而又與大家每天的生活完全無關的理論。事實絕非如此！比如現在廣泛使用的全球定位系統就需要計入狹義和廣義相對論的修正才得以實時地精準測定地面上物體的位置。

在牛頓引力理論中引力是瞬時傳播的，因此沒有引力波。但是，在廣義相對論中物質對時空幾何的影響不是瞬時的，引力相互作用傳遞的速度不能超過光速。這種傳播速度的限制導致引力波的存在。加速一個有質量的物體時，這個物體所產生的時空彎曲所發生的變化會以光速像波一樣向外傳播。這就是引力波。1916年愛因斯坦寫下了廣義相對論中引力波的精確公式，從而預言存在以光速傳播的引力波。

發現引力波不僅為了證實引力波和愛因斯坦的引力理論，而在於它開啟了一個全新的方式去窺視宇宙的奧秘。人類從此可以擺脫完全依賴電磁信號（包括可見光和射電）來探索宇宙的單一方法。事實上，宇宙中有很多物理過程很難用電磁信號來探究。經典意義下黑洞是黑的，它完全不發光，因此光信號並不能很好地幫助我們了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金輻射存在，一個宏觀的黑洞所產生的霍金輻射也太過於細微而無法察覺。

引力波的產生

此外，在年齡小於38萬年的宇宙中充滿了帶電的粒子，這些粒子和光強烈的耦合在一起，以至於光都無法在宇宙中自由地傳播。因此光信號也不能穿透到宇宙的早期。但是，引力是萬有的，引力波可以在真空又或是充斥著緻密物質的區域中自由傳播，無法阻隔。因此引力波可以直接攜帶大量有關黑洞、中子星、超新星的核心，以及宇宙起源等等的信息，甚至於最終幫助我們理解極為深奧的時空的本質。

20世紀70年代，美國科學家羅素·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）在1974年觀測到一個脈衝星與另一個中子星組成的雙星系統，以極其緊密而快速的模式互相環繞對方，並且呈現了漸進式的旋近。根據廣義相對論，此雙星系統會以輻射引力波的形式損失能量，從而導致軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長軸每年減少3.5米，預計大約經過3億年後發生合併。觀測的結果表明旋近周期的變化恰好是廣義相對論所預期的值。儘管引力波給予此雙星系統周期變化提供一個合理的解釋，但是並沒有直接觀測到引力波造成的時空的扭曲，因此只能認為是為引力波的存在提供一個間接的證據。

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