互动科普

牛顿万有引力定律让我们认识到地球上物体的重力与保持行星及月亮在其确定轨道上运行的力本质上都是一样的，引力平方反比定律不仅很好地解释了开普勒的行星运动三大定律，而且成功地预言了海王星的存在。但是牛顿万有引力定律给出的引力相互作用为瞬时超距作用，这与狭义相对论基本原理相违背，而且牛顿万有引力定律无法解释水星的近日点进动问题。基于等效原理，爱因斯坦经过多年的不懈研究，终于在1915年11月提交给普鲁士科学院的论文中提出了引力场所满足的方程，即爱因斯坦场方程。爱因斯坦场方程把物质与时空的弯曲联系起来了，即物质产生的引力场通过时空弯曲得以体现。广义相对论不但成功地解释了水星近日点的进动，而且预言光线受到引力的作用会发生偏折。爱丁顿于1919年验证了广义相对论预言的光线偏折效应。光线偏折还会产生引力透镜与雷达回波延迟等效应。这些效应在过去一百年来已经被各种实验所验证。另外，广义相对论还预言了引力场中的时钟变慢及引力红移等效应。GPS精确定位技术便考虑了时钟变慢效应。

由于爱因斯坦场方程是一个非线性张量方程，对它求解析解是一件非常困难的事情。尽管如此，史瓦西（Schwarzschild）还是在1916年发现了爱因斯坦场方程的第一个解，这个球对称解是一个黑洞解，通常称为史瓦西解。同年史瓦西解被推广到非转动的球对称带电物体的情况，从而得到被称为雷斯勒-诺斯特朗姆（Reissner-Nordström）解的带电黑洞解。直到1963年克尔（Kerr）才找到了不带电的转动黑洞解，这个解也称为克尔解。利用线性近似，爱因斯坦于1916年推导出了引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式，从而预言了引力波的存在及引力波以光速传播。引力波在本质上不同于我们熟悉的电磁波，由加速运动物体产生的引力波是时空纤维本身的波。如果一个系统的质量分布不对称地运动，那么时空变形就会以波纹的形式向外传播，这就是引力波。因此，那些球对称的引力效应不会产生引力辐射，如超新星的完美球对称坍缩不会产生任何引力波。而非球状的塌缩则会辐射引力波，如双星系统总是会辐射引力波的。一个双星系统通过辐射引力波而损失了能量和角动量，从而其周期也将发生变化。1974年，赫尔斯（Hulse）和泰勒（Taylor）发现了脉冲双星PSR 1913+16，之后对该双星系统的周期变化进行了观测，发现双星系统由于辐射引力波而导致的周期变化结果和根据爱因斯坦理论计算的结果是相符的，这一结果间接证明了引力波的存在。

引力波会扭曲时空，换句话说，它们会改变两个自由的宏观物体之间的距离。一个引力波通过时，会在空间产生一个随时间变化的拉力，它会在垂直于波的传播的方向上周期性地改变所有物体之间的距离。2016年2月11日，LIGO宣布他们在2015年9月14日观察到了来自质量分别为36及29倍太阳质量的两个黑洞并合时所释放的引力波，这个发生在13亿年前的引力波信号被命名为GW150914。这是人类历史上第一次直接观察到了引力波，也是第一次在强场情况下对广义相对论进行了验证。2016年6月15日，LIGO又宣布观察到了来自距离我们440Mpc的质量为14.2及7.5倍太阳质量的两个黑洞并合所产生的引力波信号GW151226。

爱因斯坦于1917年把广义相对论应用于宇宙的研究，从而开创了现代相对论宇宙学。1929年哈勃发现了著名的哈勃定律，从而证明宇宙是膨胀的。膨胀的宇宙可以用弗里德曼（Friedmann）于1922年发现的宇宙学解来描述，勒梅特（Lemaitre）利用这些解最早建立了宇宙从极早期高温高密状态开始演化的大爆炸模型的雏形。1940年代伽莫夫（Gamow）等在大爆炸理论框架下结合原子核理论提出了原初元素合成的理论，所预言的原初轻元素的丰度和观测值一致。阿尔菲（Alpher）和赫尔曼（Herman）在伽莫夫的工作基础上预言了宇宙微波背景辐射的存在，彭齐阿斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）利用大喇叭天线于1965年观测到了来自宇宙的微波背景辐射。1980年代古斯（Guth）等提出了暴涨宇宙理论，进一步完善了大爆炸标准宇宙学模型。暴涨期间的量子涨落不但导致了宇宙微波背景辐射的各向异性，而且为大尺度结构形成提供了种子。暴涨理论还预言了原初引力波的存在。1991年美国国家宇航局发射的宇宙背景探测（COBE）卫星首次探测到了微波背景辐射中的小的各向异性，这为标准大爆炸宇宙学理论及广义相对论在宇宙学中的应用提供了强有力的观测证据。

尽管广义相对论经历了各种检验，但是暗物质，暗能量，宇宙起源，引力本质及引力量子化等问题仍然是我们所面临的挑战。

图1.龚云贵

华中科技大学教授、美国贝勒大学客座教授，中国物理学会引力与相对论天体物理分会秘书长。1991年毕业于原华中理工大学并获得学士学位，1994年在中国科学院理论物理研究所获得硕士学位，2001年在美国得克萨斯大学奥斯汀分校获得博士学位。在美国《物理评论快报》等国际高水平学术期刊上发表了80多篇学术论文，发表的学术论文被国际同行引用3400余次。现主要从事相对论引力与宇宙学的研究工作。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）