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引力之谜（第1页）

引力之谜

茫茫宇宙由无数个星系、星体组成，这些天体沿着各自的轨道秩序井然地运转，组成一个和谐的宇宙大家庭，究竟是什么神奇的力量把这些天体组合在一起的呢?人们认为是引力。然而引力的实质是什么呢?

由两个具有一定质量的物体构的体系，按照广义相对论，这两个物体振**时，就可能发射出引力波。

许多加速运动的物体都可以发射引力波。

一个跳跃的小球，挥舞双臂的人，月亮围绕地球的运动……都能发射引力波。

引力波的传播速度也是光速。

并且，它携带着一定的能量。所以，它是一种实在的波。

可以发射引力波，也可以接收引力波。这种种特点都与电磁波非常相似。因此，尽管在牛顿的理论中完全没有引力波的概念，但是广义相对论的这个预言却很容易被接受。

尽管人们容易承认引力波的预言，但是，它的观测检验却异常困难。爱因斯坦根据广义相对论给出的其他的预言，都在不太长的时间里被观测证实了。

唯独引力波的预言，经过了60年，直到1978年底才取得了第一个定量的观测证据。原因在于引力波实在太弱了。

早在1679年，著名科学家牛顿提出了万有引力定律，认为天体间因有质量而有引力，并且发现了引力对一切物体的作用性质都是相同的。

例如，当地球引力把任何一个物体吸引到地面时，其加速度是9。8米／秒2。很显然，牛顿所提出的引力，实际上就是重力。但是引力是如何实现的呢?它的作用机制是什么?万有引力定律不能予以解答。

引力与电力有相似之处，如，二力均与物体间距离的平方成反比，与两物体所带力荷（引力是质量，电力是电荷）的乘积成正比。但二力的比例系数相差悬殊，电力远远大于引力。

二力间还存在一些其他的差别，如同性电荷间存在相互排斥力，异性电荷间存在吸引力，而万有引力却总是吸引力。

1916年爱因斯坦广义相对论的问世，提出了崭新的引力场理论。他认为由引力造成的加速度，可以同由其他力造成的加速度区分开来。

这个命题就是爱因斯坦的等价原理，即一个加速系统与一个引力场等效。

我们设想，一个人在远离地球的太空中乘一架升降机上升，上升的加速度为9。8米／秒2，由于速度变化产生了阻力，这个人双脚会紧紧压在升降机的底板上上，就像升降机停在地球表面上不动一样，但无法说明他所受到的是引力还是惯性。因此，牛顿所说的万有引力，在爱因斯坦看来，根本不是什么引力，而是时空的一种属性。

1918年爱因斯坦根据引力场理论预言有引力波存在。他认为高速运动着的物质会辐射引力，引力波就是这种引力的载体，就像光波是电磁力的载体一样。

引力波的速度与真空中的光速相同。

例如，在太阳和地球之间就是靠引力波传递引力子而实现相互作用的。因此，引力波存在与否，是广义相对论的又一个关键性验证。引力波非常微弱。

据计算，用一根长29米、直径1。6米、重500吨的圆棒，以28转／秒的转速绕中心转动，所产生的引力波功率只有2。2×10-29瓦／厘米。一次广岛级核爆炸，在距中心10米处的引力波充其量也只有10-16瓦／厘米。因此，引力波在目前还无法直接测量。

按照爱因斯坦的理论，自然界也应存在引力波，正如电荷的运动会产生电磁波一样，物体的运动也会产生引力波，引力波的传播速度为光速。这是电力与引力间又一个重要的相似特性。但只有宇宙中具有巨大质量（几倍于太阳质量）的运动天体才可能产生强烈的引力波。

例如，双星体系就是一种引力波源。下表给出一些双星的引力波辐射的强度。

双星的引力波辐射强度

双星名称轨道周期引力波强度

可见尽管双星系统的引力波发射强度比500吨的圆棒旋转和一枚广岛级原子弹爆炸要高得多，但是，比起电磁波来仍是微不足道的。例如，太阳的电磁波辐射强度高达4×1033焦／秒。比上表中任何一个都大得多。至于引力波到达地球时的能流那就更小了。

最早试图检测引力波的是美国马里兰大学的物理学家韦伯（E。Weher1901～）博士。20世纪60年代他建立了世界上第一套引力波检测装置：一根长153厘米、直径61厘米、重约3。5吨的圆柱形铝棒——后人称之为韦伯杆，横搭在由两个铁柱子支着的钢丝上。

铝杆质量虽大，钢丝却几乎无丝毫振动。在圆柱体的表面装有压电晶体。

可以测量圆柱体极微小的形变。当引力波作用到天线时，就可以通过圆柱形的形变，把它们检测出来。