揭示宇宙最初的景观--引力波专题

揭示宇宙最初的景观引力波不仅能揭示出关于致密星和超密物质的未知性质，而且会告诉我们宇宙150亿年前诞生时的情况。事实上，最使人们感兴趣的引力波源当属宇宙开端的大爆炸。在宇宙诞生的最初的瞬间，宇宙中充满稠密的物质，以致由粒子间的碰撞而产生的引力波立即就被另一些粒子吸收了。在宇宙迅速扩张的暴胀阶段，宇宙的密度突然下降，而释放出的引力波不再被吸收。从那时起，那些原始的扰动就在我们周围的空间蔓延开来。目前，微波背景辐射是我们可以捕捉到的关于宇宙大爆炸的最古老的“化石”遗迹。但在大爆炸后的头50万年里是没有电磁波射出来的，而引力辐射却能不受妨碍地穿过原初宇宙的最高密度区域。如果能捕捉到它们并对其加以分析，那将可以获得大爆炸后极短时间（10秒）的原初宇宙的宝贵信息，我们有可能追溯到比微波背景辐射给我们带来的时间更为久远的过去。或许只有引力波能够提供黑洞存在和宇宙诞生的确定证据。近代天文学史已经证明，每次当我们用肉眼或照相机以外的眼睛（射电望远镜、X射线和Y射线探测器）来观察天空时，总会发现新的奇迹，从而迫使我们更新自己的思想，加深我们对宇宙的认识。时空就像橡皮地毯自1916年爱因斯坦预言引力波存在以来，许多科学家就一直试图通过实验测出引力波，但都没有成功。现在，几个高精密探测装置即将投入运行，其中在意大利建造的“室女图”激光引力波干涉天线就是其中之一。引力波，这个长期困扰科学家的世纪悬案即将被揭开。在自然界的所有相互作用力中，引力是最早被人们知道的力。它的最基本性质──所有物体都以相同的加速度落向地面──在17世纪初就被伽利略所知。17世纪末，牛顿建立了著名的万有引力定律。最后，则由爱因斯坦引力场所与时空畸变联系起来，建立了广义相以论。爱因斯坦的理论预言，宇宙中不仅充满运动着的物质──电磁场，同时也存在另一种运动着的物质──引力场。就像运动的带电粒子会产生在空间传播的变化的电磁场形成电磁波一样，运动的物体同样也能产生在空间传播的变化的引力场，形成引力波。引力波也是以光速传播的。目前，科学家已经可以肯定，广义相对论是正确的，因而引力波必定存在。长期以来，科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波，并通过对射电脉冲双星PSR1913+16公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在，但迄今直接测量引力波的实验沿未成功。长期以来，人们对空间的认识是建立在欧几里得几何之上的。在人们的传统观念中，空间就像一个由无数坚实的直线构成的网格，其中两点间的最短距离就是连接它们的直线。而时间与空间是无关的，就像河中的水一样流逝。但是，爱因斯坦打破了传统的时空观。按照广义相对论的观点，时间与空间是紧密联系在一起的整体，时空结构是弹性的，并使地毯发生变形，称为时空畸变。时空畸变的大小与物体质量有关，质量越大变形越大。物质集中的地方是引力场“浓密”的地方，也是时空弯曲最大的地方，这种时空弯曲产生质量的吸引效应──万有引力。由于时空弯曲，两点间的最短程线不再是直线，而是一条沿着引力场走向的曲线。与宇宙调谐一致室女座引力波干涉天线是呈L形的大型金属结构（下左图），位于距意大利比萨10公里处的卡希纳。两条垂直的管道（下中图）各长3公里，它们以中心建筑大楼为起点，其中包含的钢管直径不1．2米的（下右图，钢管的局部），内部为高真空状态。中心建筑物内设有激光器和各种镜子，它们将激光束一分为二，稳定并“净化”其频率，而探测器则用来分析两束激光汇合后强度的变化，从而记录引力波经过时产生的相应信号。曾经有150位物理学家，80名工程师，70名技术人员和工人为建造这个设施而工作。这一现象已通过观测来自遥远恒星的光线而得到证实：如果一个巨大的物体正好位于地球与恒星之间，那么来自恒星的光线就会受到时空弯曲的影响，它的传播路径就会被扭曲而偏离一定的角度。这种效应还会形成一种有趣的引力透镜现象，它使远处的恒星变得更亮，有时还会形成双像。如果这个物体是一个黑洞，那么光线就会被吸到引力阱中再也出不来了。最难检测而又意义重大的波根据广义相对论，当物体做加速运动时就会对原有的引力场产生干扰从而辐射出引力波，这就好像将一块石头扔到平静的水面上出现的波纹一样。因此，任何物体都在无时无刻地辐射引力波，它在宇宙中是无处不在的。例如，地球绕着太阳运行就一定会发出引力波。地球由此而丧失能量，因而渐渐地沿着螺旋线越来越向太阳靠拢。既然如此，我们为什么没有察觉到它的存在呢？答案在于引力实际上是我们所知的最微弱的力。使原子保持为一个整体的电磁力要比引力强1000万亿亿亿亿（即1039）倍。我们之所以感受到引力，唯一的原因乃是地球极其巨大，组成地球的无数粒子的引力拉曳累加起来便相当可观了。但是，引力波是自然界中最微弱、最不易察觉的波，它不会产生我们通常能察觉到的任何效应。例如，地球绕太阳公转时辐射引力波而丧失的能量只有大约0．001瓦，因而在几十亿年中，它向太阳靠拢的距离简直微不足道。而假如500亿颗直径为1公里的小行星，以每秒10公里的速度撞向地球，所产生的引力波能量也仅能点亮一只灯泡。不过没有人能活着看到这个结果。“室女座”的关键设备上左图是“室女座”的探测器。它将发出引力波到达的信号。上中图和上右图是超级减震器的两个局部，减震器将使设备与外部干扰隔离开。当然，更大规模的质量重新分布将会产生更强的引力波，例如一颗恒星坍缩成一个黑洞，或者两颗恒星相撞，有可能产生我们可以检测到的引力波。但即便如此，要直接检测到引力波在技术上也是极为困难的，可以说是对人类智慧的一大挑战。天文学的新纪元与电磁波不同，引力波并不被物质吸收，因而来自遥远天体的引力波就能不损失任何携带的信息到达地球。到目前为止，我们关于宇宙的知识都是通过分析天体辐射的电磁波和宇宙射线中的高能粒子得到的。但对于最强的引力波辐射源，即中子星对、超新星核心和黑洞，电磁波观测（如光学和射电望远镜）所能揭示的信息极少。由一对相互环绕运行的中子星系统会辐射出比较强的引力渡并逐渐靠近，最后相撞。它们靠近的过程非常长，但在相撞前的几分之一秒会释放出很强的引力渡并被地面上的仪器检测到。即使自转的单个的中子星也能产生周期性的引力波辐射，因为即使它的表面只有千分之几毫米的不对称就足以辐射出强烈的引力波。因此，如果能直接检测到引力波的话，那将为我们打开一扇认识更神秘的宇宙的新窗口。怎样建造引力望远镜我们熟悉的望远镜是用来捕获电磁波的，那么怎样建造一个引力望远镜来捕获引力波呢？原理很简单。正如电磁波引起接收天线振荡一样，引力波也使与其相遇的物质以一定方式振荡，使时空橡皮地毯出现轻微波动，时空距离发生伸长或缩短。例如，如果探测器是一块固体物质，当引力波穿过时该物体的不同部分就会沿不同方向有所移动，即出现形变。物体中两点间的间隔在引力波作用下发生的变动大小能给出引力波的振幅，而引力波的振幅是其能量的直接量度。银河系中心两个恒星级黑洞的碰撞将会使一个1米长的棒状探测器两端发生一万亿分之一毫米的移动，约为一个氢原子尺度（1个氢原子的大小约为1埃，l挨=10-10米）的十万分之一。在20世纪60年代，美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯（JosephWeber）曾制造了一个很大的铝质圆柱体，预期其长度会在来自银河系中心引力波作用下发生振荡。他认为自己已经得到了肯定的结果，并因此而轰动一时。但是在世界上其他许多地方所做的类似实验表明，他对实验误差所做的解释是不正确的，因为他的装置所能探测的最小振幅要比银河系中心一次超新星爆发所产生的引力波振幅高出1万倍。因此，尽管韦伯做了很重要的工作，他的仪器却并未精密到足以胜任这项工作的程度。另外，对银河系中心超新星的探测还有一个问题：银河系中心的超新星爆发平均每35年一次，而爆发过程中的引力波暴只能持续不到1秒钟的时间。最有希望探测到引力波的地方是室女星系团，那里有几千个星系聚集在天空中一个很小的视角范围里，超新星爆发和脉冲双星周期的衰减所发生的频率大约是每星期一次。但是室女星团距地球的距离是5000万光年，比银河系中心远5000倍，这就意味着要探测到那里的一个超新星产生的引力波暴，引力望远镜就必须比用于探测银河系中心类似事件的装置灵敏100万倍。尽管有如此多的技术困难，引力波的探测技术还是取得了长足的进展，并可能在近期取得突破。目前一些科学家正在研究第二代棒状探测器。这种探测器更敏感也更昂贵，并且在接近绝对零度的条件下工作。另一个更有希望的最新方法是利用光学干涉技术，称为引力波干涉天线。其原理是测量两面大质量镜子之间距离的振荡。这两面镜子放在长支架的端点上，它们的距离用一个光学干涉仪系统来检测。这实际上是一种改进的麦克尔逊──莫雷实验，但它不再是用来测量以太的绝对运动，而是测量时空的抖动。镜子之间的距离越大，从系统内部的“背景噪声”（由地震波、声波等等所引起）中检测出引力波效应的机会也就越大。如制造出极高质量的镜子，使之能实现连续几十次光反射，则当镜子之间的实际距离是3公里时能得到的等效距离是120公里。捕捉引力波的网络事实上，只有一个引力望远镜检测到了引力波还不足以确认它的真实性，我们最少需要两个引力望远镜联合观测。因为引力波是不能被物质吸收并以光速传播的，所以如果地球上的一个引力望远镜检测到了引力波，在其他地方的引力望远镜也应该在几乎同一时间检测到它。因此，我们需要在不向地点建造引力望远镜组成一个网络进行比较，以最终确认观测结果。时空之中舞翩跹物体只有在做加速运动时才能辐射引力波。然而，加速动动并非直线运动的物体所独有，实际上，做圆周运动的物体的速度也是变化的，就像图中所表示的那样。这就是为什么当两颗恒星跳“双人舞”时辐射引力波的缘故。目前有几个引力波干涉天线正在建造之中，它们将组成一个检测引力波的国际网络。这些项目包括在美国路易斯安那州，长4公里的激光干涉仪引力波观测站（LIGO）；英德联合建在德国汉诺威，长600米的GEO项目；建在日本东京附近，长300米的TAMA项目；还有就是法意联合建造的“室女座”（Arigo)项目（因为室女星系团是主要探测目标）。另外，美国航空与航天局还准备计划与欧洲航天局合作，从2001年开始共同实施激光干涉仪太空天线（LISA）计划。该计划要发射3颗卫星，这3颗卫星将组成一个边长为500万公里的巨大三角形，它们之间以激光束相连。这样就可以通过测量3颗卫星中的某一颗是否会因引力波的影响而产生微弱的位置偏差来探测引力波。下面来看一看即将建成的室女座引力波干涉天线的秘密。全属高塔中的秘密室女座激光引力波干涉天线从1993年开始建造，再有1年左右即可投入运行。“室女座”位于意大利比萨附近的卡希纳，是由意大利国家核物理研究所和法国国家科研中心联合研制的。这两个机构在2000年组建了一个联合机构──欧洲引力观测站（EGO），它的研究人员将负责“室女座”的运行，并与其他几个探测引力波的机构建立起一个全球性网络以捕捉到引力波。“室女座”的中心是一座高大的建筑物，里面竖立着一座高10米的金属塔。在这个金属塔的钢壳里隐藏着一个复摆结构，它由5个摆组成，下面则悬挂着各种光学元件。这里可以说是“室女座”的心脏，这个装置的目的就是将各种光学的和外界的干扰完全隔离起来。由地震波、刮风、汽车、火车产生的干扰，甚至研究人员在实验室附近活动引起的震动干扰都将通过摆的振动抵消掉。我们知道，引力波产生的效应是很小的。如果我们不小。动地将这些外界干扰去除，是不可能从“背景噪声”中分辨出引力波信号的。这个金属塔内部还将处于高真空状态，这样就可以将通过声波传递的干扰完全杜绝了。在摆下面悬挂的光学元件有各种镜子和一个激光器。激光器发出的激光将被分成两束，并分别进入两条垂直的隧道中。“室女座”实际上是一个极其精密的光学仪器，它通过激光干涉的方法，以超乎想像的精度来测量引力波引起的空间的变化。与金属塔相连的是两条长度为3公里的隧道，里面各埋有直径l．2米的钢管。在每条钢管的两端各有一面反射镜。当一分为二的两条激光束分别进入两个垂直的隧道后，激光束将被镜子来回反射几十次。这种结构叫做法布里──珀罗腔。这样，光束最终在钢管中实际通过的路程相当于120公里。最后，这两束光线