互动科普

1916年，著名的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955）在广义相对论中预言了引力波的存在。简单地说，广义相对论认为，引力是由时空（时间与空间）弯曲产生的，有质量的地方就有时空弯曲。

例如，由于受到太阳引力的影响，地球的轨迹略有弯曲，所以才会围绕太阳公转。用广义相对论解释的话，则为“太阳的质量导致空间弯曲，使得地球轨迹自然而然地发生弯曲，从而围绕太阳公转”。

空间弯曲这一观点极大改变了人们对引力的看法。后来，爱因斯坦将这一观点扩大到了光。也就是说，不仅物体，而且光的行进方向也会因引力而发生弯曲。这是因为光在弯曲的空间里“笔直”行进的话，自然而然地就会弯曲。

图1. 具有质量的物体导致周围空间弯曲

图片在二维平面上显示了太阳的质量导致周围空间弯曲的情形。地球在行进过程中受到太阳周围空间弯曲的影响，因此围绕太阳公转（弯曲程度有所夸张）。质量越大，其导致的弯曲越厉害。广义相对论认为，物体或光在行进时会受到这一弯曲空间的影响，这就是引力。

能吞噬光的终极空间弯曲

物体的质量导致空间弯曲，空间弯曲则以引力的形式表现出来，使得物体相互靠近，或使得光的行进方向发生弯曲。广义相对论认为，质量越大（密度越高），其导致的空间弯曲越大。因此，在质量集中的空间周围所产生的引力也较大。也就是说，如果空间弯曲极大的话，将会产生非常强大的引力，不用说具有质量的物体，甚至连没有质量的光也无法逃逸出去。广义相对论认为，这一“不可思议”的区域就是“黑洞”。

图2. 星体爆炸产生黑洞

研究认为，黑洞是质量超过太阳质量25倍的巨大恒星的“悲惨下场”。恒星在燃料耗尽、即将灭亡时，其核心在自身引力的作用下开始迅速收缩。由于引力极其强大，所以恒星的核心会不停地收缩，直到形成黑洞。黑洞不仅能吞噬所有的物质，还会与其他黑洞碰撞合并，形成一个更大的黑洞。

广义相对论被证实

当类似黑洞的密度极大的天体移动时，其质量所导致的周围空间的弯曲也将发生变化。如此周而复始，空间弯曲就会像波那样向周围扩散，这就是引力波的真面目。

可以说，探测到引力波也意味着广义相对论的正确性得到了验证，这是爱因斯坦留给我们的最后一道“作业”，是现代物理学的终极愿望。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）