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[ZT]：引力波风云录
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引 力 波 风 云 录
在牛顿的时代，物体间万有引力的相互作用被认为是瞬时的（不需要时间的）和超距的（不需要媒介的）。牛顿本人对“超距”的概念感到无法接受，对此又无可奈何（关于“瞬时”居然会成为一个问题，牛顿那时是无法意识到的）。狭义相对论的出现，引力的“瞬时”作用又与速度的极限产生了矛盾。引力作用的问题越搞越大了。虽说电磁场也曾碰到过类似的问题，但是麦克斯韦方程和电磁波方程就足以解决“超距”和“瞬时”的问题了。何况麦克斯韦方程是先天满足狭义相对论的，所以电磁波以光速传播，对后来的狭义相对论而言也是顺理成章的事。引力场可不一样，广义相对论的引力场方程解决了引力的“超距”问题，要一揽子解决“瞬时”的问题只能从“引力波”着手。事实上，爱因斯坦在1916年发表了广义相对论的论文后，紧接着1918年就发表了题为“论引力波”的论文。由此可见，研究引力波可是一个大问题！
广义相对论认为，物质的分布及运动不仅决定其周围空间的“弯曲”同时还影响周围时间的流逝。这个“弯曲”的空间和时间（即时空度规）一起再决定其周围物质的运动。物质间的万有引力作用就是通过上述过程来实现的，这当然是不能在瞬间完成的。当一个物体做加速运动时，就会以有限的速度逐步地影响其周围的时空结构。如果这种影响按波动规律向四周传播，从而逐点改变原来已经弯曲的时空，进而影响四周物质的运动，瞧，那不正是引力波在传播？就如同电荷运动发生变化，然后变化的电场引起变化的磁场，接着变化的磁场又激起新的变化的电场，这么由近及远地传播开去的电磁波一样。
究竟是否存在引力波，光是上面定性地分析分析是不管用的。作为严格意义上的科学，首先至少必须推出引力波的波动方程吧。如果连理论上都站不住脚，那么引力波的发射或接收之类的话就免开尊口了。
天上掉不下波动方程。想当初电磁波的方程就是从麦克斯韦方程推出来的，那么引力波方程来自何方？显然只能来自引力场方程。
从引力场方程出发推导出引力波的波动方程这一个过程会牵涉到非常复杂的数学过程，这里只对引力波动方程推导思路作些介绍，也只能稍露端倪而已。
大家知道，引力场方程研究的实质上是时空度规。这个度规由十六个分量组成一个4×4的矩阵。考虑到对称性有十个分量是独立的，按理说引力场方程也由十个方程组成，十个未知数恰有十个方程，通过方程可以有唯一的度规解。偏偏还有四个恒等式的出现，为度规解添了不确定的因素，从而带来了“混乱”。如果要唯一解出度规解则非得要外加上四个所谓“坐标条件”才行。
想当初爱因斯坦首先推出的引力波动方程，他是在引力源是比较弱的前提下作了一定程度的简化，居然推出了一个非常标准的波动方程，当然同时也不可避免地引进了某个“坐标条件”。能推出波动方程是一个极大的成功。因为他把牛顿引力理论中的引力“瞬时”作用这一致命伤一扫而空。事实上波动方程中应该出现波速位置的速度竟然还是光速c！！！
因此该方程的出现至少说明引力的作用通过“引力场”而且这种作用也不是瞬时的！牛顿的引力理论以后尽管也有一些科学家提出过修正之类的工作但都解决不了根本的问题。唯独爱因斯坦的引力理论取得了完全的成功。
本来本篇帖子也应该到此结束了，偏偏爱因斯坦的学生英费尔德提出了一个带有根本性的责难。
话还得从“根本”上说起。广义相对论表明物理规律的成立与坐标系无关。现在在推导引力波动方程的过程中引进了某个“坐标条件”也就意味着引进了一个特殊的坐标系，这个坐标系姑且称为爱氏坐标系。英费尔德的责难在于，既然引力波的波动方程只能在爱氏坐标系中才成立，进一步分析表明，引力波的存在与否则与参考系有关，这等于说在不同的参考系中自然规律可能不一样。这就迫使科学家们作出选择：不是广义相对论失效，就是这种出没无常的“引力波”纯属一场数学游戏！引力波如果存在则广义相对论难以割舍，引力波如果不存在则从广义相对论得出的引力场理论又是不完美的。奈何？痛苦啊，痛苦！
正当大部分科学家们“进退两难”时，另一位科学家福克却显得兴高采烈，异常兴奋。关于福克不得不说上几句。在福克看来纯属数学游戏的不是引力波而是广义相对论原理的本身，福克作为一个与爱因斯坦的理论对立的学派认为物理规律的广义协变（即与任何坐标系无关）只是数学意义上的协变，在现实的物理世界里广义相对论是不成立的。他们认为有一个所谓的“调和坐标系”在各个方面都显得与众不同，在这里我们暂且称为“福氏坐标系”。他们宣称，引力波的方程在福氏坐标系看来比爱氏坐标系更为优越。引力波动方程的导出在爱因斯坦和福克两个学派关于广义相对论是否成立的长期论战中，为福克提供了一张不可多得的“王牌”：“请看，引力波与参考系有关。显然广义相对论不成立。”
1922年科学权威爱丁顿还提出过如下疑问，引力波可能只代表时空坐标的波动，因而没有观察效应。
引力波掀起的理论风波远远超过它本身的强度。要平息这场风波只有两条路：一条是直接用实验来证实引力波的存在；另一条则是理清理论风波的症结所在。这场风波几乎从1918年一直持续到1959年，科学家从理论上证明了一个静止的物体在引力波作用下会产生振动，这就间接证明引力波是有能量的而且是可以被检测到的。另外上世纪五十年代，科学家蓬第及其合作者借用不依赖于坐标系的手法证明引力波的确携带能量、动量以及系统在发射引力波时质量必然减少。引力波终于从“数学游戏”的困境里摆脱出来了。关于广义相对论的尴尬也得到了解决，首先证明了爱氏坐标系与福氏坐标系是一回事，而且还证明了福克的“调和”坐标条件远不止一个。那也就是说，没有一个参考系显得特别优越（意味着没有绝对静止）。此外证明了只要存在一个平面引力波，那么任何坐标系都能观察到，而且无法通过坐标变换消除这个平面引力波，呵，呵！引力波“赶”都“赶”不走。于是再一次表明各个参考系都是平起平坐的。广义相对论的精神没有受到威胁，同时引力波又没有沦为出没无常的“幽灵”。总而言之，引力波的理论工作大体已经完备，接下来该是“真刀真枪”“干活”了。“光说不练傻把式”么！
如果仿照发现电磁波的历史“如法炮制”的话，只要先在实验室里设法产生出引力波然后用探测器测定就万事大吉了。可是实际上远不是件轻而易举的事。
产生引力波最方便的办法是将一个非球对称的物体自转一下，就会有引力波辐射出来。根据理论的计算表明实验室里能产生的引力波的辐射功率是非常非常的小，按照目前的科技水平是无法检测到的。另外即便能探测到这么小的强度，它也会被背景嘈声、热嘈声等等所掩盖，在这个环境里“混水摸鱼”可不是闹着玩的。
理论计算可知引力辐射功率与物体的转动惯量的平方成正比，另外，又和角速度的6次方成正比。所以为了寻找大功率的引力波源我们的目光必然转向转动惯量大的高速转动的天体。
就目前的探测方法来看不外乎以下几种方案。先寻找一个适当的引力波源，然后对准该辐射源放出探测器，“有的放矢”，此其一；如果一下子找不到合适的波源，那就用探测器陆续扫过太空中每一个角落，象“姜太公钓鱼”一样，“愿者上钩”，此其二。再就是把探测器“盲目”指向太空，碰巧有一束引力波光临就 “逮”住它，“守株待兔”，此其三。
上世纪六十年代，科学家韦伯等人出色地完成的开创性探测工作就是“愿者上钩”式的。1969年韦伯他们宣称发现了100个左右的符合脉冲，这引起了广大科学界的兴奋和关注，各国科学家纷纷进行类似的实验。很可惜，都没有找到相应的结果。由于韦伯的结果无法重复并且其强度似乎又大了些，因此尚不能作为已经接受到引力波的证据。
当科学家们用直接的办法探测引力波遇到重重困难时，“间接的方法”应运而生，引力辐射虽然很弱，但研究它的累积效应也许是一条出路。果然这种方法取得了令人鼓舞的结果。
1974年10月美国科学家泰勒等人发现了一颗脉冲星――PSR1913＋16。分析认为，这是一个双星系统中的一颗快速自转的中子星。它的信号脉冲周期很短，运动速度高达光速的千分之一，轨道偏心率也大等等，这一系列诱人的特性难怪科学家们对它“情有独钟”了。问题是它是否确实在向科学家们“暗送秋波”呢？
由于脉冲星所发出的脉冲周期被誉为“钟一般地准确”，泰勒他们便能以异常高的精度观察，从而推算轨道周期变化率。泰勒他们测得这个双星系统的公转周期为27906.98172±0.00005秒，其精确度不可谓不高。果然，经过四年的辛勤观察，送来的信息表明其公转周期在变小，四年内周期共缩短了万分之四秒。这意味着它的能量由于某种原因在逐渐地损耗。根据广义相对论的理论计算这颗脉冲星由于引力波的辐射而造成的轨道周期的变化率的理论值与上述的测量值符合得很好。于是这个“某种原因”的原因只能是引力辐射！引力波终于被间接地定量证实了。泰勒及其合作者为此获得了1993年诺贝尔奖。
电磁波的广泛应用是当初绝对无法预料的。同样引力波的应用也是无法预料的，关键还是要直接“抓”到引力波。……
顺便提一下，引力波不同于电磁波。电磁波可以叠加，而引力波是不能叠加的。量子化后的辐射电磁场可看作由静止质量为0，自旋为1的光子所组成。而辐射引力场，量子化后可看作由静止质量为0，自旋为2的引力子组成。当然两者也有相同的某些特性，如传播速度都是光速，都是横波等等。有关引力波的种种应用之类的问题目前暂时还是科学幻想家的事。恕不展开了。
最后本帖以爱因斯坦的一段话作为结束：
“在黑暗中焦急地探索着的年代里，怀着热烈的想望，时而充满自信，时而精疲力竭，而最后终于看到了光明――所有这些，只有亲身经历过的人才能体会。”
1922年科学权威爱丁顿还提出过如下疑问，引力波可能只代表时空坐标的波动，因而没有观察效应。
引力波掀起的理论风波远远超过它本身的强度。要平息这场风波只有两条路：一条是直接用实验来证实引力波的存在；另一条则是理清理论风波的症结所在。这场风波几乎从1918年一直持续到1959年，科学家从理论上证明了一个静止的物体在引力波作用下会产生振动，这就间接证明引力波是有能量的而且是可以被检测到的。另外上世纪五十年代，科学家蓬第及其合作者借用不依赖于坐标系的手法证明引力波的确携带能量、动量以及系统在发射引力波时质量必然减少。引力波终于从“数学游戏”的困境里摆脱出来了。关于广义相对论的尴尬也得到了解决，首先证明了爱氏坐标系与福氏坐标系是一回事，而且还证明了福克的“调和”坐标条件远不止一个。那也就是说，没有一个参考系显得特别优越（意味着没有绝对静止）。此外证明了只要存在一个平面引力波，那么任何坐标系都能观察到，而且无法通过坐标变换消除这个平面引力波，呵，呵！引力波“赶”都“赶”不走。于是再一次表明各个参考系都是平起平坐的。广义相对论的精神没有受到威胁，同时引力波又没有沦为出没无常的“幽灵”。总而言之，引力波的理论工作大体已经完备，接下来该是“真刀真枪”“干活”了。“光说不练傻把式”么！
如果仿照发现电磁波的历史“如法炮制”的话，只要先在实验室里设法产生出引力波然后用探测器测定就万事大吉了。可是实际上远不是件轻而易举的事。
产生引力波最方便的办法是将一个非球对称的物体自转一下，就会有引力波辐射出来。根据理论的计算表明实验室里能产生的引力波的辐射功率是非常非常的小，按照目前的科技水平是无法检测到的。另外即便能探测到这么小的强度，它也会被背景嘈声、热嘈声等等所掩盖，在这个环境里“混水摸鱼”可不是闹着玩的。
理论计算可知引力辐射功率与物体的转动惯量的平方成正比，另外，又和角速度的6次方成正比。所以为了寻找大功率的引力波源我们的目光必然转向转动惯量大的高速转动的天体。
就目前的探测方法来看不外乎以下几种方案。先寻找一个适当的引力波源，然后对准该辐射源放出探测器，“有的放矢”，此其一；如果一下子找不到合适的波源，那就用探测器陆续扫过太空中每一个角落，象“姜太公钓鱼”一样，“愿者上钩”，此其二。再就是把探测器“盲目”指向太空，碰巧有一束引力波光临就 “逮”住它，“守株待兔”，此其三。
上世纪六十年代，科学家韦伯等人出色地完成的开创性探测工作就是“愿者上钩”式的。1969年韦伯他们宣称发现了100个左右的符合脉冲，这引起了广大科学界的兴奋和关注，各国科学家纷纷进行类似的实验。很可惜，都没有找到相应的结果。由于韦伯的结果无法重复并且其强度似乎又大了些，因此尚不能作为已经接受到引力波的证据。
当科学家们用直接的办法探测引力波遇到重重困难时，“间接的方法”应运而生，引力辐射虽然很弱，但研究它的累积效应也许是一条出路。果然这种方法取得了令人鼓舞的结果。
1974年10月美国科学家泰勒等人发现了一颗脉冲星――PSR1913＋16。分析认为，这是一个双星系统中的一颗快速自转的中子星。它的信号脉冲周期很短，运动速度高达光速的千分之一，轨道偏心率也大等等，这一系列诱人的特性难怪科学家们对它“情有独钟”了。问题是它是否确实在向科学家们“暗送秋波”呢？
由于脉冲星所发出的脉冲周期被誉为“钟一般地准确”，泰勒他们便能以异常高的精度观察，从而推算轨道周期变化率。泰勒他们测得这个双星系统的公转周期为27906.98172±0.00005秒，其精确度不可谓不高。果然，经过四年的辛勤观察，送来的信息表明其公转周期在变小，四年内周期共缩短了万分之四秒。这意味着它的能量由于某种原因在逐渐地损耗。根据广义相对论的理论计算这颗脉冲星由于引力波的辐射而造成的轨道周期的变化率的理论值与上述的测量值符合得很好。于是这个“某种原因”的原因只能是引力辐射！引力波终于被间接地定量证实了。泰勒及其合作者为此获得了1993年诺贝尔奖。
电磁波的广泛应用是当初绝对无法预料的。同样引力波的应用也是无法预料的，关键还是要直接“抓”到引力波。……
顺便提一下，引力波不同于电磁波。电磁波可以叠加，而引力波是不能叠加的。量子化后的辐射电磁场可看作由静止质量为0，自旋为1的光子所组成。而辐射引力场，量子化后可看作由静止质量为0，自旋为2的引力子组成。当然两者也有相同的某些特性，如传播速度都是光速，都是横波等等。有关引力波的种种应用之类的问题目前暂时还是科学幻想家的事。恕不展开了。
最后本帖以爱因斯坦的一段话作为结束：
“在黑暗中焦急地探索着的年代里，怀着热烈的想望，时而充满自信，时而精疲力竭，而最后终于看到了光明――所有这些，只有亲身经历过的人才能体会。”
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