苟利军：引力和时空的认识历史

 

苟利军 中国科学院国家天文台研究员，恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人

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我给大家讲述、解释一下引力波具体是什么和产生引力波的天体，除了黑洞之外还有什么样的天体，以及引力波到底是怎么被探测到的。 

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这张图大家可以看到，最上面的图可以看到信号的强度，是从弱一直变强，到最后变弱，最强的地方代表了两个黑洞合并结束了。合并结束以后，引力波就消失了，所以它的信号就完全变弱了。中间一栏是我们的理论跟观测相拟合，可以看到拟合得非常好。既然探测到了，大家应该很期待了解到底什么是引力波。那引力波是什么呢？要理解引力波，首先要理解引力。

 

引力最早的提出者是牛顿，他是在17世纪提出来的。大家现在知道的故事是，有一天牛顿坐在苹果树下，正在想问题，突然间一个苹果砸中了他，从而让他意识到了世间的万物之间都存在着相互吸引力，我们把它称之为万有引力。而牛顿的当时对引力有着非常深刻的认识，他认为是质量导致了引力的存在，而且他给出了对应质量所对应的逃逸速度。如果我们要想摆脱地球的引力，就需要具备一定的速度，我们把这个速度叫做逃逸速度，对于我们地球而言，这个速度大约是11公里/秒。如果一个物体的速度超过11公里/秒，那就完全可以摆脱地球的吸引力。现在一些小型的地外探测器的速度都会超过这个速度，这样才能逃脱地球，最终去探寻或者探测其他的星球。

牛顿当时认为，质量导致了引力。同时他对于空间和时间也有着一定的认识。空间是用来描述物体的位置或者说位形的，而时间是描述事件发生的顺序。比如说，我们知道有些事情是昨天发生的，有些事情是今天发生的，就是说时间代表了事件发生的次序。牛顿当时是怎么认识的呢？他认为，时间和空间是绝对的，与物体的运动是没有关系的。这一点他在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书当中就阐述得非常清楚。

总而言之，他认为时空是完全绝对而且相互独立的。尽管我们知道牛顿的万有引力是经典力学的基础，而且完美解释了天体运动非常多的现象，但是后来的众多观测实验发现，牛顿的这种时空观是不对的。1905年，爱因斯坦提出了著名的狭义相对论，在这个理论当中有一点非常关键，他做了一个非常重要的假设，也就是光速不变原理。什么叫做光速不变原理？比如，一个人坐在一列火车上，如果火车的速度是2公里/秒，同时这个人在火车上以1公里/秒的速度跑步，最终地面上的人去看这个火车上的人跑步的速度，应该是两个速度叠加，就是说3公里/秒。但是爱因斯坦提出了与我们的常识不一样的观念，他认为，光速不管在任何的情况之下都是不变的。比如，一个手电在我们静止的时候打开，假设它是最大速度，不考虑一些介质的影响，是以30万公里/秒的速度传播的；另外，如果有一辆汽车，它运动的速度特别快，假设是20万公里/秒，那如果汽车突然把大灯打开了，按照我们已有的经验，旁边静止的人去看打开的大灯的光所传播的速度，应该是20万加30万公里/秒。但是爱因斯坦却说，不管一个物体有没有运动，光最终的传播速度都是30万公里/秒，尽管现在汽车在以20万公里/秒的速度行驶，但是汽车上所产生的光的速度，最终我们观测到的还是30万公里/秒。

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正是因为这个简单的假设，导致上图（图片2）中时间和空间联系到了一起。只有在黄色区域的光椎之内，我们才可以到达或者实现。其他比如绿色的星星的范围，是我们根本没办法到达的，这已经相当于超过了光速。在狭义相对论当中还没有考虑到引力，所以在1905年狭义相对论提出来之后，爱因斯坦就进一步想把引力也完全包含进去。在1915年的时候，他又提出了广义相对论。广义相对论对于引力有了全新的认识，或者说是另外一种跟当时牛顿不太一样的认识。他们认为，是时空的弯曲导致了引力。弯曲的时空产生了加速度，从而产生了引力。

 

我们在日常生活当中或许会有这样的印象，不同质量的物体放到一个平直的橡胶膜上的时候，对于橡胶膜所造成的弯曲是不太一样的。质量比较大，造成的弯曲就比较大；如果质量比较小，那造成的弯曲肯定就比较小了。

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那同样的，我们可以想象，宇宙也是由时空构成的，不同质量的天体也会造成时空的弯曲。在这里（图片3）列出来的三个天体——太阳、中子星、黑洞，它们的质量是不太一样的。黑洞密度最大的，所以最终它造成的弯曲是最明显的。如果有一个物体在这个弯曲的空间上运动，那自然就会感受到这个弯曲空间所造成的加速度，从而表现为所谓的引力。这就是爱因斯坦在广义相对论当中所提到的等效原理。也就是说，重力场（一个质量所导致的引力）和适当加速度运动所产生的引力，这两者之间是等效的，我们是不能够区分出来的。

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下面是一个简单的例子。比如上图（图片4），有一个物体，它对于时空造成了弯曲，那周围我们放置一些不同的物体的时候，它是怎么运动的呢？尽管这些物体是想沿着它想象当中的直线去运动，但是因为空间是弯曲的，所以最终它会表现为围绕着这个天体在运动。这就是我们所知道的万有引力，比如说地球围绕着太阳运动。这其实是因为太阳造成了这个时空的弯曲，尽管地球在每一时刻都想沿着一个直线去运动，但最终表现出来的就是一条曲线。在这里有一个测地线，因为直线其实并非在弯曲空间当中最短的距离，而在弯曲空间当中最短的距离，我们称之为测地线，测地线其实往往是弯曲的。怎么理解呢？比如要从北京到纽约，最短的距离并不是任何一条直线，最短的距离是沿着地球的大圆圈上的一小段，我们想象是一条直线，但是如果把最终经过的路线投影到一个二维的平面上去看，就会看到这个最短的距离其实是一条曲线。这个曲线其实就是指测地线。

 

什么是引力波：时空的涟漪

怎么简单地理解物体和物体对于时空的影响呢？普林斯顿大学的John·Wheeler教授曾经有一句，对物体在弯曲时空当中的运动做了一个简单的归纳，他说：“质量保导致时空的弯曲，而弯曲的时空又决定了物质的运动。”

爱因斯坦对弯曲的时空，从数学角度做了一个看似抽象而且简单的描述，我们现在称之为爱因斯坦方程（Gμν=8πTμν）。左边的Gμν就代表了时空的几何结构，他就描述了弯曲时空到底是什么样子的，多大的质量导致弯曲的时空是什么样子的；右边是代表了弯曲时空当中能量和动量的分布。尽管看到的这个方程非常简单，但是往往简单的东西是非常抽象的，所以求解也非常困难。

1916年，爱因斯坦做了一个假设，他假设在弱引力情况之下，他的方程（爱因斯坦方程）就描述了引力波在时空几何当中是按照光速传播的。什么叫做弱引力呢？刚才说到，引力场等效于弯曲的空间，如果空间弯曲越大，那对应的引力也就很大。那弱引力代表什么呢？弯曲的空间比较小。如果说黑洞所造成的空间弯曲很大的话，那太阳造成的空间弯曲就相对较小了，地球应该就更小了。

假设宇宙当中空间的弯曲只是太阳或者一些不那么致密的天体所造成的，在这种情况下，它的引力波就应该是以光的速度在传播的。另外，引力波是什么样的振动呢？它的振动其实是指时空本身的振动。在日常生活当中，比如向水塘里扔一个石子，会看到水面上的水波，这和一个东西扔到这个宇宙当中，它会造成时空的振荡是非常类似的。所以，我们通常把时空当中的波动也称之为时空的涟漪。引力波代表了时空本身的振动，而非时空当中的振动。

引力波的效应其实是非常小的，所以我们怎么去测引力波的变化呢？如果在半波长之内，相距越远的物体，那它引起的引力波的距离变化越大。如果我们能够测到引力波在距离上的变化，我们就可以探知引力波的存在。现在我们知道引力波是一个横波，那什么是横波呢？横波就是它的运动方向跟振动方向是相互垂直的。

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在这里（图片5），中间画了一个箭头，这代表了引力波的传播方向，如果两个绿色的物体通常在没有作用的时候，一直是保持恒定的，那么在引力波向下传播过程当，就会导致这两个物体之间的距离发生变化。那到底会发生什么样的变化、多大的变化呢？一方面是与引力波的强度有关系，另外一方面是与探测物体之间的距离有关系。那引起的距离的变化大约是多少呢？就是在这里（图片5）所看到的，强度如果用h来表示的话，就是乘它们之间的距离，h乘以L，最终ΔL ～Lh就代表了距离之间的变化。

 

到底引力波的强度大约有多少？地球上破坏力最强的，现在目前为止我们知道是氢弹。假设有一个历史上破坏力最大的氢弹，五千万吨当量，如果我们能够站在距离它中心一米附近，它所产生的引力波强度大约是10的负27次方。10的负27次方这仅仅是一个数字，如果没有比较，大家很难对这个大小有一个印象。一个原子的大小是10的负10次方米，那这个氢弹所产生的引力波，用个1米长的物体去探测，那这个1米长的物体所产生的变化量对应的是10的负27次方米，这要比一个原子的大小还要小10的负17次方。这就是说，它的效应是非常小的。相比较而言，早上我们赶公交车或者挤地铁，被别人挤一下或者推一下的效应，比氢弹所产生的引力波的效应都要强非常多倍。

既然地球上所产生的效应非常弱，那在宇宙当中有什么样的天体可以产生呢？研究发现，双中子星或者黑洞系统，都可以产生比较强的引力波效应。在某些情况之下，单个中子星也可以产生。以及我们熟悉的超新星爆发，在非常短的时间之内释放出来非常多的能量，这种爆发也可以产生很强的种引力波效应。另外，还有一种叫做原初引力波。为什么一定要加上原初，而不是简单的引力波呢？因为这种引力波产生于最初宇宙大爆炸的那一刻。我们知道，宇宙在刚刚产生的时候，经历了一个大爆炸的过程，所以它当时对时空也造成了非常强的扰动，从而也产生了比较强的引力波。因此，我们称之为原初引力波，区别于后来天体所产生的这些引力波。

责任编辑：叶其英

文章来源：http://www.71.cn/2017/0908/964012.shtml