引力波

赵峥，1967年毕业于中国科技大学物理系，1981年于北京师范大学天文系获硕士学位，1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长.物理系主任.中国引力与相对论天体物理学会理事长.中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师.教育学博士生导师。

在牛顿的万有引力定律中，引力场的传播是瞬时的，引力从空间中的一点传播到另一点不需要时间，或者说引力的传播速度是无穷大。

在爱因斯坦的广义相对论中，引力场（即时空弯曲）的传播速度与真空中的光速相同，都是c。爱因斯坦很快就弄清楚了这一点。因此，作为引力源的物质如果有运动，将使周围的引力场发生变化，也即时空弯曲情况发生变化，这种变化会以光速传播到四面八方。这就是引力波。

如果作为引力源的物质是球对称分布的，而且它只做球对称的膨胀或收缩，并且在胀缩过程中物质始终保持严格的球对称，那么它周围的引力场将不会发生变化。也就是说不会有引力波出现。科学家进一步认为，时空中不会存在球对称的引力波。但是，大家认为非球对称的引力波应该存在。只要物质的运动不是严格保持球对称，就有可能产生引力波。

爱因斯坦一开始也是这样想的。但是他后来在具体研究一类物体的运动时，却算出了这类非球对称的情况竟然也不产生引力波。爱因斯坦把他的论文投给了美国的《物理评论》杂志，这个杂志当时已是美国最重要的物理杂志，同时也是全世界最重要的物理杂志之一。《物理评论》杂志有审稿的规定，所有的稿件都要请有关专家审查，审查通过才能发表。于是，杂志编辑部把爱因斯坦的论文寄给了一位懂广义相对论的专家，请他审阅。这位专家认真审阅了爱因斯坦的文章，认为论文有误，他写了10页的审稿意见，指出爱因斯坦论文中的错误。编辑部把审稿意见寄给了爱因斯坦。

在给爱因斯坦的信中，编辑部说：“尊敬的爱因斯坦教授，我们把您的文章寄给了一位专家，请他评审。他审查后认为您的文章有错误，现把他的审稿意见附给您，供您参考。”编辑部同时指出，“在您根据审稿意见修改之前，或者您驳倒他的审稿意见之前，我们不能刊登您的文章。”

爱因斯坦一看来信，简直火冒三丈：你们也不看看我是谁，还请一位“专家”审我的稿，他能有我水平高吗？这个专家也是不知趣，居然写了长达10页的审稿意见……爱因斯坦越想越气，他没有细看审稿意见就提笔给编辑部写了回信：“尊敬的编辑先生，非常抱歉，我不知道贵刊还需要审稿。我没有授权你们把我的稿件给别人看。请把稿子退还给我……”

爱因斯坦收到退回的稿件后，余怒未消，把稿件搁置到一边不再看，就去研究别的问题去了。过了一段时间，爱因斯坦的老朋友英菲尔德来访。爱因斯坦就把自己懒得看的审稿意见和论文一起给了英菲尔德，请他看一下，发表一下意见。

英菲尔德这个人水平不很高，看了一下没有看明白。他忽然想起有一位叫罗伯逊的教授正在研究宇宙论，他应该懂广义相对论，因为他研究宇宙论需要用广义相对论做工具，而且他就在此地工作。于是英菲尔德会见了罗伯逊，把爱因斯坦的文章和审稿意见一起给了罗伯逊，请他看一下，发表一下意见。罗伯逊看了一会儿，就用手指着论文对英菲尔德说，你看这个地方是不是有错？还有这个地方……英菲尔德听他一讲，很快明白了，爱因斯坦的论文确实有错，审稿意见是对的。

英菲尔德赶紧去见爱因斯坦，把罗伯逊的意见讲了一下。爱因斯坦一听，自己的论文真的有错误，于是就把论文作了修改，这一改，结论就变成有引力波了。爱因斯坦在论文的最后，表示了对罗伯逊教授和英菲尔德先生的感谢。然后他把修改后的论文投给了另一个杂志。爱因斯坦还在生《物理评论》的气，不仅这篇稿没有再给《物理评论》，而且此后再也没有主动给《物理评论》投过其他稿。

《物理评论》的审稿是“背靠背”的，编辑部对审稿人的信息保密，因此论文作者只能看到审稿意见，但不知道审稿人是谁。保密期限是60年。现在，60年过去了，《物理评论》编辑部公布了爱因斯坦论文审稿的秘密，爱因斯坦恼火的审稿人正是他在修改稿中感谢的罗伯逊教授。

20世纪五六十年代，美国物理学家、马里兰大学教授韦伯，曾进行引力波的探寻。他一方面用广义相对论对引力波及其探测技术做了深入研究，另一方面实际安装了两个探测引力波的装置，一个放在美国西部，另一个放在美国东部。1969年，这两个装置同时接收到频率为1660赫兹的信号，韦伯以为自己观测到了来自银河系中心的引力波。后来的分析表明，如果银河系中心有如此强的引力波辐射，银河系自身的质量早就辐射光了。而且，此后设计的比韦伯当年的仪器精密度高得多的装置，再也没有接收到类似的信号。所以，学术界认为，韦伯观测到的信号肯定不是引力波。

此后又有人设计了不同的装置，但都没有找到引力波。一个惊喜的“突破”出现在1978年，在这一年举行的得克萨斯天体物理讨论会（这次会议在德国举办）上，美国天体物理学家泰勒和休斯宣布，他们通过对脉冲双星PSRl913+16运转周期的观测，间接发现了引力波的存在。

他们通过4年的精确观测发现，这对致密双星（其中至少一颗是脉冲星，即中子星）的运转周期，每年减少万分之一秒。泰勒等人假定这是由于双星运转发射引力波，引力波导致双星动能减少，从而造成转动周期缩短。他们用广义相对论仔细计算了这对双星引力波辐射的能量，结果表明，算出的引力辐射导致的能量损失，恰好会使双星周期每年缩短万分之一秒左右，与观测结果很好相符。

泰勒作完报告后，全场掌声雷动，持续了好几分钟。这表明大多数与会学者都认为他们确实观测到了引力波。1993年，他们由于对脉冲双星的研究获得了诺贝尔物理奖，但颁奖词中没有明确说他们发现了引力波。这是诺贝尔奖评委会谨慎的表现，因为这对双星毕竟离我们太远，而且泰勒他们测量与计算的相对误差也还比较大。

泰勒当时公布了观测结果和计算结果，但没有公布计算引力波的具体方法和过程。1980年，笔者正作为硕士研究生追随刘辽先生学习广义相对论，刘辽先生让我的师弟桂元星和我一起计算一下这对双星的引力辐射。他向我们建议了计算方案。经过仔细计算，我们得到了与泰勒等人一致的结果。

现在，相对论界认为，泰勒等人对脉冲星的研究结果，是对引力波的一个证明，但只是一个间接的证明。

目前一些相对论专家和实验物理专家正在筹划对引力波的直接观测。不少人注意到引力波的一个特点：引力波的横截面的形状会发生明显的“剪切”变化。如图2所示，如果取一束引力波的横截面进行观察，假定取的横截面是个圆面，那么它一定会变扁，而且变扁的方向会不断交替。例如，先是BF方向收缩、HD方向拉伸，然后又HD方向收缩、BF方向拉伸。

一些科学家建议，可以一次发射6颗人造卫星，排成一个正六边形，如果有垂直于六边形的引力波射来，那么六边形就会在引力波的作用下，不断交替变扁，这样就可以确认引力波的到来了。

另一些科学家主张在地下挖十字形的沟，装上精密的光学干涉仪，如果有垂直于十字面的引力波到来，相互垂直的光路的光程将交替伸缩，这样也可以确认引力波的到来。他们还建议对装置抽高真空，以完成精确观测。

然而，这两个方案都需要花费巨资，而且谁也不敢打保票一定就能观测到引力波，所以这些方案都还在仔细酝酿中。

总之，重要的引力波至今尚未观测到。也有少数人认为，引力波可能根本就不存在。有关研究还在继续进行中。

（本专栏文章内容成稿于2015年，而在今年，2016年2月11日，爱因斯坦提出广义相对论并预言引力波的存在100周年之际，LIG0（激光干涉引力波天文台）团队在美国宣布，在经过5年的系统升级之后完成人类历史上首个引力波直接探测结果。根据探测信号，这束引力波来自位于南天的距地球约13亿光年的双黑洞——编者注）