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·1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——新型脈沖星

1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)新澤西州普林斯頓大學(xué)的赫爾斯（RussellA.Hulse，1950—）和小約瑟夫·泰勒（JosephH。Taylor，Jr，1941—），以表彰他們發(fā)現(xiàn)了一種新型的脈沖星，這一發(fā)現(xiàn)為研究引力開(kāi)辟了新的可能性。赫爾斯和泰勒是在1974年用西印度群島波多黎各的300m射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)這種新型脈沖星的。當(dāng)時(shí)泰勒在阿墨斯特（Amherst）的麻薩諸塞大學(xué)任教授，赫爾斯是他的研究生。他們當(dāng)時(shí)正在系統(tǒng)地探索脈沖星。脈沖星是一種質(zhì)量比太陽(yáng)略大而半徑只有大約十公里的快速旋轉(zhuǎn)的“宇宙信標(biāo)”（假如有一個(gè)人站在脈沖星上，其重量會(huì)比在地面上大千億倍）。脈沖星的“信號(hào)光”頻率通常是在射電波段。從脈沖星發(fā)射出的射電液，當(dāng)脈沖星旋轉(zhuǎn)時(shí)以同樣的旋轉(zhuǎn)速率掃過(guò)空間（圖93-1）。第一顆脈沖星是1967年在英國(guó)劍橋的射電天文實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的。1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)因此授予休伊什（AntonyHewish）。赫爾斯-泰勒脈沖星的新穎之處就在于：從信號(hào)的行為可以推知，這顆脈沖星還有另一顆質(zhì)量與之相近的同伴，兩者相距僅為月亮到地球距離的幾倍。這一天體系的行為與利用牛頓定律計(jì)算一對(duì)天體的結(jié)果偏離甚遠(yuǎn)。于是就為檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和其它引力理論找到了一個(gè)新的革命性的“空間實(shí)驗(yàn)室”。到現(xiàn)在為止，愛(ài)因斯坦的理論已高唱?jiǎng)P歌地通過(guò)了檢驗(yàn)。特別令人感興趣的是，有可能以極大的精確度驗(yàn)證這個(gè)理論的預(yù)言：這一體系會(huì)大致像運(yùn)動(dòng)電荷體系發(fā)射電磁波那樣發(fā)射引力波而損失能量。

發(fā)現(xiàn)脈沖雙星有什么意義呢？第一顆脈沖雙星的發(fā)現(xiàn)主要是對(duì)天體物理學(xué)和引力物理學(xué)有極大的意義。引力是最早知道的自然力，是我們?cè)谌粘Ｉ钪凶钍煜さ?。同時(shí)它在某種意義上也是最難研究的力，因?yàn)樗绕渌N力：電磁力、強(qiáng)核力和弱核力都弱得多。從第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，在火箭、人造衛(wèi)星、空間航行、射電天文學(xué)、雷達(dá)技術(shù)和用原子鐘精確計(jì)量時(shí)間等方面技術(shù)與科學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致了重新研究這一最早知道的自然力。在這一歷史性發(fā)展中脈沖雙星的發(fā)現(xiàn)代表了一個(gè)重要的里程碑。說(shuō)到這里，要講一講相對(duì)論和引力物理學(xué)之間的關(guān)系。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，引力是由空間與時(shí)間幾何的變化引起的：空間、時(shí)間在質(zhì)量附近彎曲。愛(ài)因斯坦在1915年提出了他的理論，當(dāng)英國(guó)天文物理學(xué)家愛(ài)丁頓（ArthurEddington）1919年宣布在日蝕考察中證實(shí)了這個(gè)理論的預(yù)言之一：星光通過(guò)太陽(yáng)表面附近“被折向太陽(yáng)”時(shí)，愛(ài)因斯坦成了世界著名人物。光的這種偏折和水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（水星繞太陽(yáng)的橢圓軌道有一緩慢的旋轉(zhuǎn)）都涉及廣義相對(duì)論。這兩項(xiàng)結(jié)果是幾十年來(lái)對(duì)廣義相對(duì)論唯一的、但還不夠確定的支持。在一段很長(zhǎng)的時(shí)間里相對(duì)論被認(rèn)為在美學(xué)上是非常美、非常令人滿意，并大概是正確的，但除了用在宇宙學(xué)中研究宇宙的起源、發(fā)展和結(jié)構(gòu)，對(duì)物理學(xué)沒(méi)有多大實(shí)際意義。然而，到20世紀(jì)60年代，當(dāng)實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展使引力物理學(xué)成為物理學(xué)的論題部分時(shí)，人們對(duì)廣義相對(duì)論的態(tài)度改變了。在人造衛(wèi)星和雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)辟了精確實(shí)驗(yàn)的新機(jī)會(huì)。特別是美國(guó)人迪克（R.Dicke）和夏皮羅（I.Shapiro）的研究對(duì)此作出了貢獻(xiàn)。迪克完成了精確的實(shí)驗(yàn)，用地球上的太陽(yáng)引力場(chǎng)來(lái)驗(yàn)證等價(jià)原理，即引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等，這是廣義相對(duì)論（也是某些其它引力理論）的基本原理之一，夏皮羅對(duì)廣義相對(duì)論的一項(xiàng)新推論——電磁信號(hào)在通過(guò)引力場(chǎng)時(shí)會(huì)有時(shí)間延緩效應(yīng)——進(jìn)行的理論預(yù)言和用水星的雷達(dá)回波進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也是重要貢獻(xiàn)。但是所有這些實(shí)驗(yàn)都只限于我們的太陽(yáng)系，其引力場(chǎng)非常弱，致使對(duì)牛頓引力理論的偏離甚小，很難測(cè)量。所以只能在后牛頓理論的一級(jí)近似上檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和其它理論。赫爾斯和泰勒1974年發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖雙星（稱為PSR1913＋16）①。這件事引起了這個(gè)領(lǐng)域中的一場(chǎng)革命。這里我們有兩個(gè)非常小的天體，每個(gè)天體的半徑只有大約10km，但其質(zhì)量卻相當(dāng)于太陽(yáng)，兩者的距離甚近，僅為月地距離的幾倍。在這種情況下有大的對(duì)牛頓引力物理學(xué)的偏離?？梢耘e一個(gè)例子來(lái)說(shuō)，根據(jù)從17世紀(jì)初提出的開(kāi)普勒第一定律，脈沖星在這樣的體系中的橢圓軌道每年應(yīng)旋轉(zhuǎn)4度，這也叫近星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。在我們太陽(yáng)系里作為最顯著的例子，及前面提到的水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的相對(duì)論旋移，每世紀(jì)只有43弧秒（別的行星主要是金星和木星的攝動(dòng)引起的近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要大得多，相對(duì)論旋移小于其十分之一）。旋移之間大小的差別部分地是由于脈沖雙星的軌道速率幾乎比水星大5倍，部分是由于脈沖星在一年中走完的軌道數(shù)比水星多250倍。脈沖雙星的軌道周期小于8小時(shí)，可與月亮繞地球轉(zhuǎn)一周所用的一個(gè)月相比。新脈沖星有一個(gè)非常重要的特性，就是它的脈沖周期即兩個(gè)信號(hào)掃描之間的時(shí)間（0.05903秒）已證明是極為穩(wěn)定的，這與其它許多脈沖星相反。脈沖星的脈沖周期在一百萬(wàn)年內(nèi)增加不到5%。這就意味著脈沖星可以當(dāng)作鐘來(lái)使用，其精確度與最佳的原子鐘相當(dāng)。在研究該體系的特性時(shí)，這是一個(gè)非常有用的特征。非常穩(wěn)定的脈沖周期事實(shí)上是脈沖星體系沿軌道一周的時(shí)間內(nèi)，從地面觀測(cè)到的脈沖周期的平均值。觀測(cè)到的周期實(shí)際上會(huì)變化1微秒的十分之幾，這個(gè)量遠(yuǎn)大于平均值的變化。這是一種多普勒效應(yīng)，由此引出的結(jié)論是，被觀測(cè)的脈沖星沿著一周期性軌道運(yùn)動(dòng)，這意味著它一定有一個(gè)同伴。當(dāng)脈沖星朝地球而來(lái)時(shí)，脈沖到達(dá)地球更為頻繁；當(dāng)它離地球而去時(shí)，脈沖到達(dá)地球的頻率變小。從脈沖周期的變化，可以得出脈沖星沿軌道運(yùn)行的速率及該體系的其它重要特征。在人們對(duì)脈沖星體系追蹤了幾年之后，一個(gè)非常重要的觀測(cè)結(jié)果就得到了。這個(gè)結(jié)果與脈沖星剛發(fā)現(xiàn)不久就作的一個(gè)理論預(yù)言是一致的。人們發(fā)現(xiàn)，軌道周期不斷減?。簝蓚€(gè)天體在越來(lái)越緊縮的軌道上越來(lái)越快地互相繞著旋轉(zhuǎn)，變化是非常小的，只相當(dāng)于軌道周期每年大約減小1秒的百萬(wàn)分之七十五，但是時(shí)間足夠長(zhǎng)的觀測(cè)，它還是完全可以測(cè)量的?？梢约俣?，這一變化之所以發(fā)生，根據(jù)愛(ài)因斯坦在1916年對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量所作的預(yù)言，是因?yàn)檫@個(gè)體系正以引力波的形式發(fā)射能量。根據(jù)最近的數(shù)據(jù)，相對(duì)論得到的理論計(jì)算值與觀測(cè)值相符在約千分之五以內(nèi)。這一效應(yīng)的報(bào)告最初是由泰勒及其合作者在1978年末，即在報(bào)道脈沖雙星被發(fā)現(xiàn)的四年之后作出的。軌道路徑的觀測(cè)值與理論計(jì)算值之間相符甚好，可以看作是引力波存在的間接證明。我們也許必須等到下一世紀(jì)才能得到它們存在的直接顯示?，F(xiàn)在已開(kāi)始進(jìn)行著許多個(gè)長(zhǎng)期的規(guī)劃，要直接觀測(cè)射到地球上的引力波，因?yàn)樘?，脈沖雙星發(fā)射的輻射用現(xiàn)有的技術(shù)在地球上還不能觀測(cè)到。然而，當(dāng)雙星（或脈沖雙星）中兩個(gè)天體互相趨近到如此之近，以致它們彼此陷入時(shí)，這時(shí)物質(zhì)的強(qiáng)烈擾動(dòng)也許會(huì)引起在我們這里有可能觀測(cè)到的引力波（圖93-2）。人們還希望能夠觀察到宇宙中其它許多劇烈事件。引力波天文學(xué)是觀測(cè)性天文學(xué)中最新的，迄今還未得到考驗(yàn)的一個(gè)分支，它的最直接的先導(dǎo)是中微子天文學(xué)。引力波天文學(xué)可能是第一種觀測(cè)技術(shù)，其基本原理最先在天體物理范圍內(nèi)得到檢驗(yàn)。天文學(xué)中所有的以前的觀測(cè)技術(shù)都是以在與地球的相關(guān)范圍內(nèi)最先認(rèn)識(shí)到的物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。

下面簡(jiǎn)單介紹這兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的生平。赫爾斯1950年11月28日出生于美國(guó)紐約，他從小就對(duì)周圍世界有濃厚的好奇心，并很早發(fā)展成為對(duì)科學(xué)的興趣。據(jù)他本人回憶，從他開(kāi)始記憶以來(lái)，科學(xué)似乎就成了他生命的一部分。這當(dāng)然首先要感謝他父母的培養(yǎng)。他從化學(xué)實(shí)驗(yàn)箱、機(jī)械裝配積木、生物解剖、蝴蝶標(biāo)本、照像、望遠(yuǎn)鏡、電子學(xué)等等實(shí)踐活動(dòng)產(chǎn)生了無(wú)窮無(wú)盡的樂(lè)趣。最有意思的一樁事是，有一年他父親在紐約西北方向約兩小時(shí)車程的地方要建筑一所別墅，為此，每到周末和暑假，他父親就帶著他到那里去，讓他幫著運(yùn)木料、搭架子、鋸木刨板、鋪地蓋頂，搬運(yùn)各種物品到新建房屋內(nèi)。這使他熟悉各種工具并且懂得什么事情都要靠自己動(dòng)手。1963年赫爾斯進(jìn)入理科高中。但他對(duì)課外活動(dòng)的興趣比起對(duì)學(xué)校規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容來(lái)要大得多。他在家里做的最大的“工程”是在鄉(xiāng)下別墅的屋頂上建造的一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，他手頭有一本業(yè)余射電天線設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，這是他的唯一依靠。電子學(xué)器件拆自廢舊的電視機(jī)，其它一些則取材于軍用剩余物資。遺憾的是望遠(yuǎn)鏡的效果不大好，很難找到射電源。盡管如此他還是很滿足，因?yàn)閺倪@里學(xué)到了不少東西。高中畢業(yè)時(shí)，赫爾斯面臨人生道路的重要選擇：是學(xué)習(xí)物理和天文學(xué)還是學(xué)設(shè)計(jì)和制造電子學(xué)裝備，當(dāng)一名電器工程師？他選擇了物理，他認(rèn)為這是最適合他的志趣的選擇。其唯一限制是學(xué)費(fèi)問(wèn)題，他不愿讓父母增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。幸運(yùn)的是，他被接受進(jìn)入下曼哈頓的一所不收學(xué)費(fèi)的庫(kù)珀聯(lián)盟學(xué)院。在庫(kù)珀學(xué)院里，赫爾斯熟悉了計(jì)算機(jī)，那里有一臺(tái)IBM1620型計(jì)算機(jī)供學(xué)生使用。當(dāng)時(shí)沒(méi)有計(jì)算機(jī)課程，他靠自學(xué)掌握了FORTRAN語(yǔ)言。1970年赫爾斯大學(xué)畢業(yè)，考進(jìn)了阿墨斯特的馬薩諸塞大學(xué)研究生院。雖然他的博士論文選定的是射電天文學(xué)技術(shù)方面的題目，但他還是喜歡物理學(xué)。甚至當(dāng)他后來(lái)以射電天文學(xué)為職業(yè)時(shí)，還是沒(méi)有改變初衷。1975年完成博士論文，1975年—1977年在美國(guó)國(guó)家射電天文站當(dāng)博士后，他還在尋找適合自己的職位。1977年他從《今日物理》看到普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的招聘廣告，那里需要有物理和計(jì)算機(jī)背景的人才。赫爾斯經(jīng)過(guò)面試，被錄用了，分配在等離子體模型組工作。在那里他為等離子體創(chuàng)建模型，并為這一模型編制計(jì)算程序，這一計(jì)算程序被等離子體研究單位普遍采用。泰勒1941年3月29日出生于美國(guó)賓夕法尼亞州的費(fèi)城，小時(shí)生活在新澤西州的農(nóng)村，從小就愛(ài)好無(wú)線電，和兄弟們?cè)诩依锝ㄆ鸶吒叩奶炀€做各種收發(fā)報(bào)的試驗(yàn)。在他家的三層閣樓上布滿了業(yè)余用的無(wú)線電接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。他們的裝置多是戰(zhàn)后剩余物資，也有拆自廢舊的電視機(jī)。他們把供電站的舊變壓器搬到家里，把降壓變?yōu)樯龎?，就成了他們的高壓電源。泰勒在學(xué)校里愛(ài)好數(shù)學(xué)。大學(xué)期間在哈沃福特（Haverford）學(xué)院，自己動(dòng)手制作了一臺(tái)可以工作的射電望遠(yuǎn)鏡，因此獲得了學(xué)校里的物理獎(jiǎng)。這項(xiàng)工作把他的射頻電子學(xué)實(shí)用知識(shí)和對(duì)科學(xué)的熱烈追求結(jié)合到了一起。當(dāng)時(shí)，他主要是依靠一本業(yè)余無(wú)線電手冊(cè)和早期的射電天文學(xué)的書(shū)籍作為參考書(shū)。當(dāng)然這一成果說(shuō)不上是科學(xué)研究，所有的工作都是以前別人做過(guò)的，但是對(duì)于泰勒來(lái)說(shuō)，卻是從中獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，從而可以提高解決各種問(wèn)題的能力。更重要的是，促使他決心獻(xiàn)身科學(xué)，立志去考研究生以求深造。于是泰勒到哈佛大學(xué)天文系當(dāng)了一名研究生。物理和應(yīng)用數(shù)學(xué)是最難的課程，特別是第一年。他深感