互动科普

扭曲的时空、引力波等等，充满好奇的预测

广义相对论发表后，宇宙观测技术飞跃进步，又发现了一些如果不用广义相对论就不能解释的不可思议的天体和现象。

分裂或扭曲天体形象的“引力透镜效应”

其中一个代表性的现象就是引力透镜效应，于1979年第一次被观测到。来自于远方的天体的光在到达地球之前，遇到星系、星系团等强引力源，光的传播空间被弯曲，光的路径也被弯曲。其结果是，我们看到的天体的像是被分割的或者是被扭曲的，这些像和天体本来面目完全不同。这就是引力透镜效应。

图： 引力透镜效应

上图是1990年用哈勃太空望远镜拍摄到的引力透镜效应产生的爱因斯坦十字。照片中有5个光点，它们是由距离地球约8亿光年的星系（中间的光点），扭曲了来自于距地球约80亿光年的天体的光，分裂成4个光点。在星系团“Abell2218”的照片中（下图），可见它的引力使远方的星系被分裂成多个，有的形状成了细长的弧状。

现在，利用引力透镜效应，人们开始研究如何调查产生引力透镜效应的看不见的引力源—暗物质（dark matter）的分布情况，对此现象的分析在天文学研究上是不可或缺的。

连光也无法逃逸的“黑洞”

广义相对论发表的第二年，也就是1917年，德国数学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild， 1873～1916）解出了广义相对论方程（爱因斯坦方程），把人们引入了令人毛骨悚然的领域。当质量集中在尺寸为0的点上时，这些点周围的某些区域，存在着极强的引力，连光也无法逃逸出来。这些点在后来被人们称为“黑洞”。当初人们只是认为这些点在现实世界中是不存在的，不过是理论上的产物罢了。

但是到了20世纪60年代后期，人们怀疑是黑洞的天体一个个地被发现了。其中第一个被发现的天体是“天鹅座X-1”。天鹅座X-1是一个和普通恒星形成双星的强X射线源。发射出强X射线的天体的质量非常大，至少是太阳的9倍，然而它的直径却不过几百公里。由于巨大的质量集中在极小的区域之内，这个天体是否就是史瓦西从爱因斯坦方程解出的东西，也就是黑洞？顺便说一下，X射线是从存在于黑洞外表的高温气体射出的。如果广义相对论没有预言黑洞的存在，人们就不知道不断被发现的那些强X射线源天体到底是什么了。

现在人们已经知道，在所有星系，包括我们自己所在的银河系里，都有许多黑洞。因为黑洞附近的高温气体发射出无线电波，用位于智利的阿塔卡马沙漠中的射电望远镜群“ALMA”就能观测到，人们正在尝试观测位于银河系中心的巨大黑洞。

扭曲时空的“兰斯-蒂林效应”

在广义相对论中，不仅物体的质量会扭曲时空，物体的旋转也会把周围的时空沿着旋转方向拉伸而扭曲。为了纪念提出此效应的两位物理学家，这种效应被称为“兰斯-蒂林效应”，也称“参考系拖曳”。

为了探测兰斯-蒂林效应，美国宇航局（NASA）在2004年发射了引力观测卫星“引力探测器B”（Gravity Probe B，简称GP-B）。引力探测器B上安装了陀螺仪（gyroscope）。陀螺仪轴旋转对准了某颗恒星的方向。如果由于地球的自转拉伸了周围的空间的话，陀螺仪就会受影响，人们预测它的旋转轴每一年会偏离0.000011°。因为偏离非常小，非高精度的测量是很难分辨的。2011年的最终报告中还没有达到充分的精度。但是，也没有得到和预想不同的结果。

另外，在2004年发表的论文中，NASA对发射的卫星“LAGEOS”（激光地球动力学卫星）和“LAGEOS2”（激光地球动力学卫星2）长达11年的轨道数据作了分析，称引起时空拉伸的偏离确实存在。但是，也有人对这项研究结果持有审慎意见，认为它没有充分排除影响该偏离的其他要素。

变化的空间扭曲会以波的形式传播

物体的质量使空间扭曲。而物体的运动会改变空间的扭曲状态。这种变化以波的形式向周围传播。这种波称为“引力波”。

1974年发现的“PSR1913+16”脉冲双星已经间接证明了“引力波”的存在。脉冲双星“PSR1913+16”是两颗中子星（主要由中子构成的天体），它们互相绕转。随着时间的流逝，这两颗中子星互转的周期越来越短。变化率和假设两颗中子星放射出引力波而失去能量的计算结果相符。

现在世界上有实验正在尝试直接探测引力波。主要的探测手段是“激光干涉”(见下图）。用半透半反镜把一束激光一分为二，让两者分别反射之后进行干涉。调整光的路径，使得干涉时光波正好互相抵消。引力波通过这里时会使空间产生伸缩变化，因而路径的长度发生变化，光波不能继续互相干涉抵消。这就是引力波到达的证据。

但是，引力波是非常弱的波，很难探测。人们认为只有中子星、黑洞等本来质量就非常巨大的天体发生碰撞或者爆发等，其质量、运动发生巨大变化时才能探测到引力波。

在日本歧阜县神冈矿山的地下，正在建设用激光干涉探测引力波的大型低温引力波望远镜“KAGRA”，2017年度正式启用。这样的激光干涉仪还有美国的“LIGO”、意大利的“VIRGO”等。NASA和ESA（欧洲空间局）正在实施“LISA计划”，将共同发射引力波探测设备到太空，以探测地面上很难探测到的引力波的频率。

引力波能够通过任何区域传递到任何地方。人们期待能够探测到来自刚刚诞生的宇宙的引力波，这样也许就能够探明宇宙的初始状态是什么模样的了。

引力波以光速传播空间的伸缩

下面是在宇宙空间传播的引力波的想象图。引力波通过时，某个瞬间空间纵向拉伸、横向压缩，下一个瞬间空间纵向压缩、横向拉伸。这样空间就会发生纵向和横向的伸缩变化。这种空间的伸缩变化以光速传递，就是引力波。

（本文发表于《科学世界》2015年第5期）