對(duì)引力波與黑洞的認(rèn)識(shí)

1、對(duì)引力波與黑洞的認(rèn)識(shí)Black摘要：在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通 過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳 輸能量。在 1916 年，愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力 波的存在。引力波的存在是廣義相對(duì)論洛倫茲不變性的結(jié)果， 因?yàn)樗肓讼嗷プ饔玫膫鞑ニ俣扔邢薜母拍?。黑洞?hole）是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無 限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會(huì)失 效。本文將針對(duì)這兩個(gè)概念進(jìn)行初步闡述。關(guān)鍵詞：引力波；黑洞；愛因斯坦相對(duì)論一、時(shí)空中的漣漪牛頓的萬有引力定律揭示了引力與萬物的關(guān)系，愛因斯 坦的廣義相對(duì)論則將引力與四維時(shí)空的彎曲性質(zhì)聯(lián)系在

2、一 起。物質(zhì)的質(zhì)量使得四維時(shí)空彎曲，彎曲的時(shí)空又影響其中 物體的運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)軌跡成為曲線而非直線。例如，一大 片無限擴(kuò)展的彈性網(wǎng)格上，大球的質(zhì)量使網(wǎng)格下陷，小球在 變形的網(wǎng)格空間中作圓周運(yùn)動(dòng)才不至于繼續(xù)往下掉。大球的 質(zhì)量越大， ?W 格的變形程度就越大。兩個(gè)球的質(zhì)量相差很 大，小球的質(zhì)量可以忽略。這種系統(tǒng)可以看成是大球不動(dòng)， 小球圍著大球轉(zhuǎn)。這時(shí)候網(wǎng)格下陷的形狀基本保持固定，整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定不動(dòng)的公轉(zhuǎn)中心， 類似于太陽(yáng)系。 是， 如果兩個(gè)球的質(zhì)量差不多，都非常大，那就應(yīng)該是兩個(gè)大球 互相繞著轉(zhuǎn)圈。彈性網(wǎng)格兩個(gè)下陷最深的位置隨著時(shí)間不停 地改變，使得網(wǎng)格的形狀也作周期變化，然后，這種變

3、化又 影響到距離兩球更遠(yuǎn)處的網(wǎng)格形變。如此牽連下去，使得周 期變化傳向四面八方，形成“網(wǎng)格波” 。上面“網(wǎng)格波” （或 漣漪）的比喻用到四維彎曲時(shí)空中，便是LIGO在2015年9月 14 日探測(cè)到的引力波。 以上例子中的彈性振動(dòng)引起的 “網(wǎng) 格波”，是一種機(jī)械波。四維時(shí)空中也有類似“網(wǎng)格”的幾 何量，稱之為度規(guī)。引力波便是時(shí)空度規(guī)變化之傳播而形成 的。二、愛因斯坦的等待 然而，宇宙中存在大的引力波源， 比如中子星和黑洞等， 在某個(gè)特定的時(shí)候便有可能輻射出強(qiáng)大的引力波。盡管這些 星體一般都遠(yuǎn)離地球，從而引力波到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)有很大衰 減，但仍然有可能被我們探測(cè)到。體發(fā)出的引力波的頻率與 波源的質(zhì)量

4、有關(guān)?？茖W(xué)家們針對(duì)不同頻率的引力波，建造了 三類不同的接收器。一類接收器是針對(duì)宇宙大爆炸中的暴漲 模型所預(yù)言的“原初引力波”。哈佛設(shè)在南極的 BICEP2探測(cè) 器就是為這個(gè)目的。它對(duì)引力波的探測(cè)是通過觀測(cè)和分析宇 宙微波背景輻射（CMB ）而實(shí)現(xiàn)的。一類引力波的頻率特別 低，只有十萬分之一赫茲到一赫茲。科學(xué)家們認(rèn)為接受這一 類引力波的最好辦法是通過空間衛(wèi)星陣列來探測(cè)。歐洲的LISA項(xiàng)目便以此為目標(biāo)。像LIGO團(tuán)隊(duì)使用的這類地面的大型激光干涉裝置，目標(biāo)則指向雙中子星和雙黑洞，接受頻率范 圍定在幾十到幾千赫茲的頻段。就像本文一開始所舉的例子 中兩個(gè)巨大質(zhì)量繞著轉(zhuǎn)圈的情形，那種情形不同于穩(wěn)定的太 陽(yáng)

5、系，時(shí)空度規(guī)的周期變化將以引力波的形式傳播到四面八 方。輻射出的引力波攜帶著能量和角動(dòng)量，又將使得雙星系 統(tǒng)互相旋轉(zhuǎn)的速度加快，距離縮短，時(shí)空的度規(guī)波動(dòng)也變得 更大，形成一段短促而異常激烈的融合過程。雙黑洞變成一 個(gè)質(zhì)量更大的黑洞，并且輻射出巨大能量的引力波。如今， 物理學(xué)家們?cè)诮?jīng)過了長(zhǎng)久的努力之后，終于探測(cè)到了引力波， 這是愛因斯坦在天國(guó)里也“夢(mèng)寐以求”的東西，他已經(jīng)等待 了整整一百年。三、引力波到黑洞 有關(guān)黑洞的探討，可以追溯到兩百多年前的經(jīng)典力學(xué)時(shí) 代。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家， 比如拉普拉斯， 把此類天體叫做 “暗星” 首先于 1783 年提出“暗星”概念的英國(guó)人米歇爾，是一位 地質(zhì)學(xué)家， 卻對(duì)天

6、文感興趣。 根據(jù)拉普拉斯和米歇爾的預(yù)言， 如果星體的質(zhì)量 M足夠大，它的逃逸速度ve將會(huì)超過光速。 這意味著即使是光也不能逃出這個(gè)星球的表面，那么，遠(yuǎn)方 的觀察者便無法看到這個(gè)星球， 因此， 它成為一顆 “暗星” 當(dāng)初他們得出這個(gè)結(jié)論是根據(jù)牛頓的光微粒說，計(jì)算基礎(chǔ)是認(rèn)為光是一種粒子。有趣的是，后來拉普拉斯將這段有關(guān)暗 星的文字從該書的第三版中悄悄刪去了。因?yàn)樵?1801 年， 托馬斯 ?楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)使得大多數(shù)的物理學(xué)家們接受了 光的波動(dòng)理論，微粒說不再得寵，于是拉普拉斯覺得，基于 微粒說的 “暗星”計(jì)算可能有誤， 新版的書中最好不提為妙。 1915 年，愛因斯坦建立了廣義相對(duì)論。緊接著，物理學(xué)家史 瓦西首先為這個(gè)劃時(shí)代的理論找到了一個(gè)球?qū)ΨQ解，叫做史 瓦西解。這個(gè)解才為我們目前現(xiàn)代物理學(xué)中所說的黑洞建立 了數(shù)學(xué)模型。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系的中央都存在一個(gè)超重黑 洞。我們的銀河系也是如此。 在距離地球 26 000 光年的地方， 其實(shí)也就是靠近銀河系的中心處了，有一個(gè)人馬星座，也叫 射手座，人們?cè)谶@個(gè)星座所觀察到的星星的排列方