目标——直接检验出引力波

发布时间：83年04月28日

平野公夫编译罗守仁高文道

Weber检验，轰动一时

1969年美国马里兰（Maryland）大学的J，Weber成功地检验出天体的引力波，消息一经传出，轰动了世界各国的科学工作者、如果这是事实的话、这个发现该算是二十世纪后半期物理学上最重要的事件之一。

所谓Weber实验是把1.4吨的引力波天线设置在距马里兰大学1000公里的阿贡国立研究所，研究两个天线的振动关系。结果，果然在一天内可以几次观测到两个天线同时振动的现象。与此同时，还进一步报告了好像是引力波所致的证据，也就是说，利用引力波天线的方向性，研究发来信号的方向分布，研究结果指出，引力波好像是在我们银河系的中心部位、活动非常活跃的银河核范围里发出的。

这些事实具有一定的说服力，但是对于Weber的观测也提出了几个疑问，其中最重要的疑问是，从Weber观测所得到的强度和频度去计算，在一年内就有相当于一万倍太阳的质量变成银河核内的引力波能量，这样我们银河剩下的寿命只有1000万年，与现在的银河年龄100亿年相比较，似乎太短了。

在七十年代里，为了确认Weber观测到的现象，世界各地十几个地方建设了引力波检验装置，可是由其他小组的追加测试结果都否定了Weber的见解，认为不可能检验出引力波。关于Weber的数据处理方法等，跟其他小组持续地展开了一段时期的大辩论。

Weber观测到的究竟是什么？这个问题还没有解决。现在认为Weber观测到的现象大概不是由引力波所造成的。然而为了能接收到理论上预想的引力波，还必须提高现有检验装置的感应度。

但是，对于检验引力波的实验，Weber所做完的工作应该给予恰当的评价。五十年代后半期Weber已经在推敲检验出引力波的构思。那时其他科学工作者认为：引力波效应太弱，要想检验出它是不可能的，而且他们还不知道在原理上用什么样的装置能检验出引力波。由于Weber具有坚韧不拔的开拓精神，检验出引力波的实验将会变得有希望成功。现在最新颖的引力波检验装置，在原理上来讲，与Weber最初应用的装置也没有什么差别。

爱因斯坦的预言

爱因斯坦在1915年发表了广义相对论，它是物理学体系中最完美的理论。根据广义相对论的观点，所谓引力乃是时间和空间（由时间和三维空间组成的四维空间）变化的作用，物体的运动取决于受这个影响的时空。总而言之，只要有物质存在，在它周围的空间是歪斜的，爱因斯坦方程式正是表达了该物质的分布状态与时空之间的结构关系。

与引力相提并论的另一个基本力一一电场力；具有波动性，它的传播速度是被称为电磁波的光速，这对我们来说也是熟知的。电荷一旦发生振动，在它周围就会产生电磁波，还向远处传播它的影响。同样，如果物质的分布在时间上有变化，那么周围的引力也随着时间发生变化，以波的形式传播，这就是引力波。

如前所述，因为引力具有歪斜时空的效应；所以可以说引力波是与光相同速度传播的空间歪斜。广义相对论发表后，到了1916年，爱因斯坦从爱因斯坦方程式推断，预言了引力波的存在。

对电磁场而言，用于无线电和电视等通讯的电波，一边发出一边接收是比较容易的，但是对引力波而言，由于引力波相互作用极其微弱，不可能在地面上制造出引力波去应用于通讯。然而由天体和宇宙发出的引力波，对其演变和构造的影响却很大。

宇宙诞生时期，引力波起着重要的作用。甚至现在天体中有急剧变化的星体，也发出引力波。巨星的引力崩溃、随此而爆发超新星和诞生中子星、黑洞俘获星体、黑洞之间的相互碰撞等等，都属于这种情况。

这些天体现象的持续时间，大多数在千分之一秒，这时发生的引力波叫做脉冲波。具有一定频率的引力波也存在，这种波叫做连续波。绕着由中子星和黑洞演变来的双星的重心回转、绕着非轴对称的中子星回转和振动，是产生连续波的波源。

黑夜长空，繁星点点，映入我们眼帘的是每颗星、星静静地闪烁着。实际上，在这么广袤的宇宙里，处在极限状态的星体经常地演出灾难性的戏剧。为了窥视如此宏大的戏剧，只有通过引力波这条途径才能实现。

双星脉冲星证明引力波的存在

Weber初次实验后大约经过了十年，也就是1978年，在探索研究引力波的历史上开创了发生质变的新局面，像起初认识的那样，间接地证实了引力波的存在。

1974年美国马萨诸塞大学的天文学家J. Delia使用波多黎各的阿列西波观测站的大型射电望远镜，研究脉冲星的过程中，发现在双星里至少有一颗伴星是双星脉冲星。所谓脉冲星，就是发出有规则的脉冲电波的星、中子星。

取名为PSR1913+16的脉冲伴星，由具有1.4倍的太阳质量（仍然是中子星）或作为黑洞的伴星组成，绕着公共的重心以8小时的周期回转。Delia认为：如果靠近这么大质量的星体回转，产生引力波，回转轨道将会因所持有的能量损耗而渐渐变小，轨道周期也会缩短。

脉冲星绕轨道回转时，因多普勒效应而脉冲变得异常，由此可以推算出轨道周期。J. Delia在4年里密切注视、不断观测脉冲星的周期，确认在这段时间里周期缩短了0.000414秒。这个数值，眼因发出引力波而损耗能量使得周期缩短的预期值，符合得很好。这颗脉冲星确实发出了引力波。

于是，爱因斯坦的预言——引力波的存在，经过了六十年，首次得到证实。

由于J. Delia发现脉冲星，引力波的存在大概无可怀疑了。但是，这是间接获得的，正像Weber所指出的那样，直接检验出引力波就显得极为重要。

J. Delia用来检验引力波的装置，采用质量共振型天线，其质量为1.4吨、长度为1.5米和共振频率为1660赫兹，它是用铝制成的圆筒形，并用钢丝索悬吊。一旦引力波射进这种天线，则重力波将叩击铝制大圆筒，激起圆筒自振。把天线振动变换成电信号、加以观测，可以检验出引力波。

引力波在物质中容易通过

东京大学理学部平川研究室发明了厚板正方形引力波天线，用它来观测研究引力波，跟Weber所观测到的频率相比较，低145赫兹。对地面振动、外部声波和电磁波之类的干扰源，检验装置不会感应。

天线由严格的防震体系加以保护，安置在铁制的真空箱里。同时东京大学也检验出从蟹状星云中的脉冲星（PSR0531+21）发出的引力波。但是，到目前为止，对预想的引力波水平，因感应不足而不能成功地检验出来。

引力波射进天线时引起的振动，比衡量原子核的尺度10^-18厘米（十兆分之一厘米）还要小。Weber以后的检验装置逐渐得到改进，现在能检验出像原子核半径十分之一那样的振动。成为检验装置杂音的主要因素，首先要算天线的热振动，这是因为把这种天线置于室温里，随之而常常产生原子核尺度的热振动。再有一个杂音源是由振动变成电信号的电干扰，它湮没了天线的振动信号。