从牛顿定律到爱因斯坦相对论 第 4 部分阅读

    　　我们就将收到个脉冲

　　锥状体上见图

　　81。星体每自转次，这个锥状辐射飞扫

　　过地球次，我们就会测到个射电脉冲。

　　r191316于

　　1974年底被发现后，几年来的观测显

　　示出，它的射电脉冲形状或叫脉冲轮廓有少许的变化见图

　　82。这可能是自转轴进动的种结果。

　　图

　　82 r191316脉冲形状的变化，图中线是

　　1977年

　　7月的观

　　测结果，┅┅线和线分别是

　　1978年

　　6月和

　　10月的观察结果

　　83

　　因为辐射锥体的截面大体有下图所表示的形状。所以，

　　当自转轴进动时，扫过地球的区域是不同的。在图中标出了

　　1977年

　　7月和

　　1978年

　　10月可能的扫过线。所以，从脉冲形

　　状的变化使我们能估计自转轴进动的大小。按后牛顿修正理

　　论

　　r191316自转轴的进动速率，应当是

　　1度年，这个

　　值和观测是符合的。

　　图

　　83 脉冲轮廓变化的种解释阴影部分表示脉冲星辐射锥体的

　　截面，水平线则表示当脉冲星旋转时观测者视线所扫过的轨迹。当

　　自转轴进动时，视线穿过的区域发生了改变，使得观察到的脉

　　冲形状也发生了变化。图中实线表示

　　1978年

　　10月的观察

　　线，虚线表示

　　1977年

　　7月的观察线

　　引力红移

　　既然对于在引力作用下速度大小可与光速相比拟时物体

　　不能再用牛顿引力理论，那么，光本身在引力场中的运动，

　　定是从原则上就不能使用牛顿引力理论的。光与引力场之间

　　的相互作用，在本质上属于后牛顿的范围。本章的最后几节就

　　84

　　来谈谈在引力场中传播的光的几个新现象。

　　来谈谈在引力场中传播的光的几个新现象。

　　这个效应是说，当光在引力场中传播时，它的频率或者波

　　长会发生变化。个在太阳表面的氢原子发射的光，到达地

　　球时，我们将发现它的频率比地球上氢原子发射的光频率要

　　低点，即红移了在可见光中，红光频率最低，所以般把频

　　率降低的现象叫做红移，反之叫蓝移。这是因为太阳表面上

　　的引力场比地球上的强

　　.

　　即

　　值大

　　.

　　如果有人在太阳表

　　.

　　2 .

　　.

　　r .

　　面去接收从地球上发来的光，他会发现频率都要变高点，即

　　蓝移了。

　　.

　　.

　　总之，当光从引力场强

　　.即2 大.

　　的地方传播到引力

　　.

　　r .

　　场弱

　　.

　　即

　　小

　　.

　　的地方时，频率都要变低些。在相反情

　　.

　　2 .

　　.

　　r .

　　况，则要变高些。

　　1960年以后，在地面实验室中定量地检验了引力红移理

　　论。庞德

　　等人在个

　　22.6米高塔的底部放个

　　57的γ光源，在塔顶放个

　　57的接收器。这种穆斯堡尔实

　　验

　　1装置的频率稳定性可以高达

　　1012。这时，当

　　57所发射

　　1

　　当原子核中发射

　　γ射线时，由于存在原子核的反冲，所以

　　γ射线的能量

　　总要比跃迁的能级小些。因此，这种

　　γ射线不能再被该对能级共振

　　吸收。为了克服反冲的影响，穆斯堡尔把发射的原子核嵌在大块的晶体

　　中，这样，由于反冲质量大大增加，从而降低了由于反冲引起的

　　γ射线能

　　量降低，使上述共振吸收成为可能。

　　85

　　的γ射线到达顶部时，将发生微小的红移。他们的测量结果

　　的γ射线到达顶部时，将发生微小的红移。他们的测量结果

　　实验值，是

　　0.997 0.008。

　　理论值

　　光线弯曲

　　切物体在引力场附近时，都不可能走直线，因为引力的

　　作用要使它们的轨道偏向引力源。根据等效原理可以判断，

　　光在引力场中传播时，也会有类似的现象。因为，如果光的运

　　动形态与其它物体不致，那么，我们就找不到个爱因斯坦

　　电梯，能够在物体运动中以及在光的运动中同时消除引力的

　　作用。所以，要求存在能消除引力的局部惯性系，就能推断光

　　线在引力场中传播时定要发生弯曲。

　　束通过太阳表面附近引力场的星光，偏转角只有

　　1.″75，当没有太阳时，星光以直线传到我们的地球，但当太阳

　　出现在星体与地球之间时，光线发生弯曲，我们将看到星体的

　　位置移动到虚线的方向，即如图

　　84所示。

　　图

　　84 当太阳出现在星体与地球之间时，星光就会发生弯曲

　　1919年爱丁顿领导的观测队，第次定量地证实了光线

　　弯曲的预言。在那年的

　　5月

　　29日，他们在西非的普林西比岛

　　上拍摄了日全食时太阳附近的星空照片，然后与太阳不在这

　　86

　　个天区时的星空照片相比较，即可求出光线弯曲的数值，结果

　　与理论预言相当好地符合。

　　1919年以后，几乎每逢有便于进行观测的日全食时。各

　　国的天文学家都要做这个光线弯曲的实验。下表中列出各次

　　观测的主要结果。

　　日全食日期地点观测值

　　1919.5.29 巴西 .″980.16

　　1919.5.29 普林西比 1.″610.40

　　1922.9.21 澳大利亚 1.″720.15

　　1929.5.9 苏门答腊 2.″240.10

　　1936.6.19 苏联 2.″730.31

　　1936.6.19 日本 1.″282.13

　　1947.5.20 巴西 2.″010.27

　　1952.2.25 苏丹 1.″700.10

　　1973.6.30 毛里塔尼亚 1.″600.18

　　图

　　85 射电源

　　011608，011102及

　　011911和太阳的位置示

　　意图当太阳通过射电源

　　011608附近时，根据观察到的三个射

　　电源之间位置的相对变化，可测出光线在引力场中弯曲的数值

　　87

　　近年来射电天文学的定位技术大大提高，分辨率超过了

　　光学。因此检验光线弯曲的精度也大大提高了。可巧，每年

　　三四月间太阳要在射电源

　　011608附近通过次见图

　　85。 011608与

　　011911及

　　011102三个射电源几

　　乎构成条直线。而当太阳通过

　　011608附近时，它们的

　　相对位置将要发生变化。用这种方法得到的光线弯曲值是

　　1.″7750.″019。

　　雷达回波的延迟

　　1964年，夏皮罗等提出了个光在引力场中传播的新

　　的可以检验的效应。

　　夏皮罗从地球上利用雷达发射束电磁波脉冲，这些电

　　磁波到达其它行星之后，将发生反射，然后再回到地球，被雷

　　达接收到。我们可以测出来回次的时间，并对比两种不同

　　的情况，种是电波来回的路程远离太阳。这时太阳的影响可

　　以不计；种是电波来回的路程要经过太阳附近，受到引力场

　　的作用。后种情况的回波要比前者延迟些，这就是太阳

　　引力场造成的传播时间的加长，或叫做雷达回波的延迟。例

　　如，地球与水星之间的雷达回波最大延迟时间可达

　　240微秒。

　　为了避免由于行星表面的复杂因素的影响，也有人用人造天

　　体作为雷达信号的反射靶进行实验。

　　下页的表中列出雷达回波延迟的观测结果和它们的理论

　　预言：

　　88

　　实验日期实验日期反射天体工作波长观测值理论值

　　1966.111967.8 金星，水星

　　3.8厘米 0.9

　　19671970

　　rb

　　金星，水星

　　3.8厘米

　　7.0厘米

　　1.015

　　1969.101971.1

　　r

　　水手

　　6号

　　水手

　　7号

　　14厘米 1.00

　　两方面的符合同样是令人非常满意的。

　　89

　　第九章从经典的引力坍缩到黑洞

　　第九章从经典的引力坍缩到黑洞

　　在上章中我们曾经指出，强场的条件是

　　2 ..1。

　　r

　　现在，我们从另个角度来看这个问题。如果质量为

　　的体系所产生的引力场是强的，它们的空间尺度就应当是

　　r ..

　　换句话说，倘若质量为

　　的体系是强引力场的

　　2

　　源，那么这个体系就应该压缩到

　　r ..2 那么小的空间范

　　围里去。下面的表中给出些物体的

　　的值。

　　2

　　名称质子人地球太阳银河

　　2

　　厘米

　　1052 1023 101 105 1016

　　根据我们在地面实验室中的经验，要想完成表中所要求

　　的压缩，似乎是完全不可能的。用目前最强有力的压缩机也

　　不能使水的体积缩小十分之。所以，要想把偌大的太阳压

　　缩成个直径仅几公里的球，似乎是童话中的事。

　　90

　　自然界到底有没有强大的压缩机能把弱场物体压缩成强

　　场呢上面的经验使许多人对这个问题持否定态度。因此，

　　自然界到底有没有强场物体存在，也使人们怀疑。如果根本

　　没有强场物体存在，那么，广义相对论即使再好，也是无用武

　　之地的东西了。

　　自然界到底有没有强大的压缩机能把弱场物体压缩成强

　　场呢上面的经验使许多人对这个问题持否定态度。因此，

　　自然界到底有没有强场物体存在，也使人们怀疑。如果根本

　　没有强场物体存在，那么，广义相对论即使再好，也是无用武

　　之地的东西了。

　　引力坍缩

　　这个问题是从分析星的平衡性质开始的。颗星的性质

　　最主要的决定于两种力，种是星体自身的引力，种是星中

　　物质的压力。倘若压力大于引力，星体将发生膨胀；若引力大

　　于压力，则星体将收缩；两者相等时，星体达到平衡。

　　早在

　　1930年，密尔恩分析种没有能源的由经典理想

　　气体构成的星。他发现，在这种情况，压力总是不能与引力相

　　抗衡。任何质量的这种体系，在自身引力的作用下总要无限

　　坍缩下去，直到空间尺度缩小到零。物质密度增加到无穷

　　为止。

　　随后，张德拉塞卡和朗道分别指出密尔恩的分析不完备。

　　91

　　因为在高密度下，物质的性质远远不能用经典理想气体来描

　　写。这时必须考虑量子力学中的不相容原理。这种不相容原理

　　能产生巨大的抵抗坍缩的力量。这种压力通常叫做简并性压

　　力。仔细说来，在高密态情况下的简并性压力，大体可以分成

　　两大类：类是简并电子压力，当物质密度在

　　104 108克厘

　　米

　　3范围时，它起主要作用；另类是简并中子压力，当物质密

　　度在

　　1012 1015克厘米

　　3范围时，它起主要作用。具体计算表

　　明，考虑到简并性压力后的确使问题有所好转，在定质量范

　　围内的天体不会出现密尔恩式的无限坍缩。张德拉塞卡的计

　　算表明，当压缩到定空间尺度后，简并电子的压力将与自引

　　力达到平衡，稳定下来成为种致密的星，叫做简并矮星，白

　　矮星就是种简并矮星。天狼

　　b星是颗白矮星。但是，简并

　　电子压力也并不能彻底排除无限坍缩的威胁，特别是对于质

　　量大于

　　1.5个太阳质量的天体来说，不再能形成稳定的简并

　　矮星。摆在它面前的命运依旧是坍缩。

　　张德拉塞卡曾经这样来描述当时的境遇：“我们的结论

　　是，在我们能够回答下列基本问题之前，有关恒星结构的分析

　　不可能获得较大的进展。这个问题就是给定个含有电子及

　　原子核总体是电中性的的封闭体，如果我们无限地压缩这

　　些材料，将会发生什么事情”

　　以上的讨论都是基于牛顿引力理论的。

　　到三十年代末，奥本海默采用广义相对论来分析这个问

　　题。结果仍然没有变化。虽然他们证明了在定质量范围内

　　坍缩后能存在稳定的中子星即简并中子压力与自引力抗衡

　　92

　　而形成的星体。但是，他还说：“当所有热核能源耗尽之后，

　　颗足够重的星体将会无限坍缩。”

　　而形成的星体。但是，他还说：“当所有热核能源耗尽之后，

　　颗足够重的星体将会无限坍缩。”

　　1发生引力坍缩，形成大量的致密天体。

　　2致密天体大体有两大类，是由有限坍缩形成的，例

　　如白矮星和中子星，另种则是由无限坍缩形成的天体。

　　第个结论就牛顿引力理论或广义相对论来说都是

　　样。第二个结论当然只能靠广义相对论来得到，因为牛顿的

　　引力理论不适用于强场情况。先讨论第个结论的观测证

　　实。

　　强场天体在何处

　　1934年巴德和茨维基发表了篇短文，对找寻这种奇异

　　的天体提出了些猜测。这篇文章行文之短，涉及面之多，预

　　测之大胆和准确在物理学和天文学史上是罕见的。我们与其

　　复述他们的观点，不如原文照录：

　　超新星和宇宙线

　　在每个星系星云中，每几百年要发生次超新星爆发。个超新星的寿命

　　大约是二十天，当它们绝对亮度极大时，可高达

　　＝14。超新星的可见辐

　　射

　　大约为我们太阳辐射的

　　108倍，即

　　＝3.78 1041尔格秒。计算指

　　出，总辐射包括可见的和不可见的在内数量大约是

　　r ＝ 107 ＝3.78

　　93

　　10 10尔格秒。所以，超新星在它的整个寿命中发射的总能量为

　　r105 r

　　＝3.781053尔格秒。如果超新星最初是十分普通的质量为

　　1034克的

　　恒星，则

　　r 2与它本身的

　　同量级。在超新星过程中，大块的物质湮灭了。

　　此外，还可以设想，宇宙线是自超新星产生的。假定在每个星云中每千年左右

　　有颗超新星出现，则在地球上所观测到的宇宙线强度将为

　　σ＝ 2103尔

　　格厘米

　　2秒量级。观测值约为

　　σ＝3103尔格厘米

　　2秒作为存照，我们

　　还提出这样的观点：超新星是表示从普通星到中子星的过渡：所谓中子星，就

　　是星的最终阶段，它完全由挤得极紧的中子构成。

　　随后三十多年的观测研究证明巴德和茨维基的立此存照

　　是正确的。最关键的证据是关于蟹状星云的研究结果。

　　蟹状星云是银河系中个弥漫的气状星云。它的光度很

　　大，差不多相当于

　　100个太阳的光度。星云的能量从何而来

　　这个问题吸引着许多天文学家。

　　早在

　　1928年就有人提出蟹状星云与

　　1054年的超新星

　　见第三章有关。后来又发现星云如今还在膨帐。根据膨胀

　　速度可以算出星云从膨胀开始到现在大约用了

　　800年。这个

　　数字与

　　1054年到现在的时间非常相近，支持了二者有联系的

　　观点。到底是怎样的联系呢

　　以后，又研究蟹状星云当中的颗恒星。这颗星也很奇

　　怪，它的光度很大，约为太阳的

　　100倍。但是在光谱中却看不

　　到谱线。它与通常恒星的光谱全然不同。

　　到这时候，关于蟹状星云的研究似乎是积累的问题多，解

　　决的问题少：1054年超新星爆发留下了什么星云辐射的能

　　量是由什么提供的中心的恒星到底属于哪类等等都是

　　没有解决的问题。然而，问题越多，越尖锐，往往预示着越接近

　　94

　　解决。

　　关键的步是进行了光变的观测。利用快速测光方法发

　　现，蟹状星云中恒星的光度是变化的，它极有规则地发射周期

　　的脉冲。周期

　　非常稳定，它是

　　＝0.03310615370秒，

　　这是迄今为止天体现象中的最短周期。

　　脉冲星是种致密天体

　　根据周期的稳定性可以断定它是由天体自转产生的。周

　　期的短促又说明自转天体的空间尺度定很小。此外，光度

　　很大又表示它的质量不会太小。这样个大质量而小体积的

　　天体不正是那种引力坍缩后所产生的致密天体吗

　　有了这个突破点，蟹状星云中的许多问题也就迎刃而解

　　了。1，这颗星是

　　1054年超新星爆发过程中从普通恒星坍

　　缩而来的。普通恒星的自转周期般是个月。由于角动量

　　守恒，在坍缩过程中角速度将不断加快。所以在形成致密星

　　之后，它的自转周期就可以短到几毫秒。

　　2，精确的测量发

　　现，脉冲周期有极慢的变长趋势，这反映着致密星的自转在减

　　慢，转动能量在逐渐减少。转动能的减少值正好等于通过星

　　云及中心星辐射出去的能量。

　　这些满意的结果，最终支持了巴德茨维基的观点：超新

　　星是当普通星坍缩到致密星时发生的现象。

　　虽然蟹状星云中心星并不是第个被发现的脉冲星，但

　　95

　　是脉冲星是种中子星这个重要的结论却主要是根据对蟹状

　　星云的研究而得到的。说来也很有趣，尽管几十年来不少人都

　　观测过蟹状星云，但它的光变性质却直没有被发现。这也

　　不奇怪，因为人眼的视觉暂留效应使肉眼不能看到比

　　60毫秒

　　更短的周期或光强变化。蟹状星云脉冲星的

　　33毫秒周期刚

　　好被视觉暂留效应模糊掉了。如果蟹状星云脉冲星的周期稍

　　微再长点，那么，发现致密星的故事也许早结束了。大自然

　　这样安排，似乎是有意要考验人们的智慧。

　　的确，中子星的发现是人的多方面智慧结晶。在物理理

　　论上，它几乎用到了从经典到相对论的全部理论。在技术上

　　涉及了天体测量，光谱分析及守时的工作，此外还有几百年前

　　中国天文学家的忠实而详尽的记录。

　　今天在银河系中已经记录到三百余颗脉冲星。估计在银

　　河系中，总共可能有

　　109颗这种致密天体。

　　至此，我们证明了关于强引力场问题的第个理论预言：

　　定存在着许多经坍缩而成的致密强场天体。

　　现在转向第二个问题：是否存在有限坍缩及无限坍缩两

　　大类致密天体

　　在介绍观测证实之前，我们再仔细介绍下有关有限坍

　　缩和无限坍缩的理论预言。

　　中子星的结构

　　有限坍缩可能形成白矮星中子星，或者反常中子星层

　　96

　　子星等等，名目繁多。这是因为目前对高密物态还知道得不

　　很清楚，结论不完全致。但它们有许多共同的方面。我们

　　以中子星为代表来介绍它们。

　　子星等等，名目繁多。这是因为目前对高密物态还知道得不

　　很清楚，结论不完全致。但它们有许多共同的方面。我们

　　以中子星为代表来介绍它们。

　　于

　　1.4个太阳质量的恒星，坍缩以后，压力

　　非常大。在这种压力下，原子中的电子几乎全部与原子核中

　　的质子产生俘获反应，放出中微子而使质子变成中子。因而

　　整个星体几乎全由中子构成。这时它的密度比水约高万亿到

　　百万亿倍即约为

　　1012 1014克厘米

　　3。颗质量约等于太

　　阳质量的中子星，其直径仅有数十公里左右。

　　因为所有恒星几乎都有自转，并且存在磁场。所以，当坍

　　缩成中子星时，自转就会加快这是由于角动量守恒。磁场也

　　会加强，因为原来的磁场分布在恒星内外很大的范围内，收缩

　　之后，磁场就集中在很小的范围之中。从颗太阳那样的星

　　坍缩成中子星，它的磁场会增加上百亿倍。

　　这样，中子星往往是颗具有强大磁场的高速自转的星

　　体。般说，磁极的方向和自转轴并不致，正如地球的自转

　　图

　　91 第个被发现的脉冲星

　　1919的脉冲式信号

　　轴和地磁轴也不完全致样。在中子星的磁极附近，磁场

　　特别强。电子在这个强磁场中运动就会放出很强的射电波。

　　97

　　射电波的发射方向主要集中在磁极的方向。当中子星的磁极

　　指向地球时，地球就可以接收到它发射的电波。中子星每转动

　　周，我们就收到次信号，形成脉冲式的射电波图

　　91。

　　这就是有限坍缩形成的天体的主要特征。

　　黑洞

　　无限坍缩的结局是黑洞。

　　早在

　　1795年，法国的天文学家数学家和物理学家拉普

　　拉斯就曾指出，在个质量足够大的星球表面，光线是不可能

　　逃出去的。按照牛顿引力理论，每个星体都有定的逃逸速

　　度。地球的逃逸速度就是所谓第二宇宙速度，大约是

　　11公

　　里秒。对质量大而体积小的天体来说，这个逃逸速度可能

　　大于光速。在这种情况下，星体发的光也不能发射到远处去。

　　因而，在外部看来，它就是个不发光的天体。可以称它为牛

　　顿理论中的黑洞。不过，我们已经知道，牛顿的引力理论在原

　　则上是不能处理光的问题，我们不能轻信这个结果。

　　广义相对论中依然存在无限引力坍缩的过程。设想个

　　人正站在发生坍缩的星体表面。他持有盏强大的灯。在坍

　　缩之前，引力场还很弱，他的灯光可以向四面八方发射出去。

　　光线大体都沿着直线传播图

　　92。当恒星开始坍缩后，质

　　量逐渐集中到越来越小的范围之中。当恒星的尺度减小时，

　　它的表面引力就变得越来越大，引起光线弯曲。最初，只有那

　　些在水平方向的光线才有明显弯曲，这些被弯曲的光线并没

　　98

　　图

　　92

　　有发射出星体，而是折回到星体表面。坍缩继续下去灯的光

　　线将越来越收拢。最后，所有的光线都不再能逃离星体表面。

　　我们说，这是恒星缩小到它的“视界”之内了。落进视界之内

　　的任何东西，都不可能再被外界的观测者看到。这就形成了

　　黑洞。

　　“视界”就是黑洞的表面。质量为十个太阳质量的恒星，

　　它的视界半径约为

　　30公里。也就是说，当这种恒星坍缩到约

　　30公里的大小时，就开始成为黑洞。

　　任何进入视界的东西，都不可能再出来。而且，当颗坍

　　99

　　缩的星，收缩到自己的视界之内以后，就再也没有任何物理过

　　程可以阻止住它进步的坍缩。它必将无限地坍缩下去，最

　　终变成个点，在这个点上许多量都变成无限大，所以它叫做

　　“奇点”。

　　缩的星，收缩到自己的视界之内以后，就再也没有任何物理过

　　程可以阻止住它进步的坍缩。它必将无限地坍缩下去，最

　　终变成个点，在这个点上许多量都变成无限大，所以它叫做

　　“奇点”。

　　图

　　93表示颗星在坍缩过程中的亮度变化。从图上

　　看到，恒星变暗的过程是极其快的。颗质量为十个太阳质

　　量的星体，在开始坍缩后约百分之秒，就几乎完全看不见

　　了。

　　图

　　93 坍缩星的亮度变化

　　黑洞是不毛的

　　有限坍缩能形成种种复杂结构的天体，而无限坍缩所形

　　成的黑洞却是种极简单的东西。甚至它比任何我们看到过

　　的物体都简单。因为，任何物体都是由复杂的原子分子构成

　　的。而对黑洞来说。我们根本不需要也不可能谈它的分子结

　　构。因为，无论黑洞由什么东西坍缩而成，旦它们进入了视

　　100

　　界，我们就不必去管也不能管他们的细节了。因为它们不再

　　能给我们任何有关细节的信息。因之，本来不同质的东西形

　　成的黑洞却都是样的。

　　界，我们就不必去管也不能管他们的细节了。因为它们不再

　　能给我们任何有关细节的信息。因之，本来不同质的东西形

　　成的黑洞却都是样的。

　　按这个定理，宇宙间只有很少几种类型的黑洞，它们全都

　　开列在下面的表中。

　　名称类型特性

　　史瓦西黑洞

　　只有质量

　　角动量及电荷为零

　　球对称的最简单

　　的黑洞

　　r黑洞

　　有质量及电荷

　　角动量为零

　　带电荷的球对称性

　　黑洞

　　克尔黑洞

　　有质量及角动量

　　电荷为零

　　轴对称的

　　旋转黑洞

　　黑洞

　　质量电荷角动量

　　均不为零

　　轴对称的旋转的带电

　　的黑洞最复杂的黑洞

　　在这里要强调点，各种黑洞都不可能具有磁极方向与

　　自转轴方向不同的磁场。前面介绍的中子星的那种斜向磁场

　　图

　　91结构，在黑洞中是不可能存在的。

　　101

　　临界质量

　　临界质量

　　根据广义相对论等般理论，可以求出，这个临界质量约

　　是

　　3.2个太阳的质量。

　　总结下有关的结果：

　　1质量小于

　　3.2太阳质量的星体，将形成中子星等，它可

　　以具有斜向的磁场。

　　2，质量大于

　　3.2太阳质量的星体，将形成黑洞，它不可能

　　具有斜向的磁场。

　　这就是有关坍缩结局的最主要理论结论。

　　如何检验这些预言呢

　　射线双星

　　首先要谈下黑洞的观测。黑洞本身是不能发出光来的，

　　但是，当外界物质落到黑洞周围时，由于受非常强的引力场的

　　作用，这些物质有可能发生很强的光，它的波长应当在

　　射线

　　波段，甚至在

　　γ射线波段。

　　当然，孤立在天空中的黑洞，很少有外界物质落到黑洞中

　　去，很难观测它们。但是，天体中有许多双星，它们是由两颗

　　102

　　星组成的体系，相互围绕着旋转。这种体系在定的演化阶

　　段时，要发生强的物质交流，即颗星的物质要落到另颗星

　　上去图

　　94。这样，如果另颗星是黑洞，我们就有可能看

　　到它。因为这种体系应该是个发射

　　射线的双星体系。

　　图

　　94 射线密近双星

　　个恒星的物质充满了临界面

　　b由恒星风引起的物质交流

　　七十年代以来，利用人造卫星或者火箭的大气外观测，发

　　现了批

　　射线双星。按照

　　射线强度变化的特点，可以分

　　成两大类。

　　1. 射线强度有脉冲式的变化，脉冲周期非常稳定图

　　103

　　95。

　　95。

　　图

　　95武仙座

　　1的

　　射线强度变化

　　2. 射线强度有爆发式变化。它由许多不规则的强度

　　变化构成，没有任何周期性图

　　96。

　　图

　　96天鹤座

　　1的

　　射线强度变化

　　由射电脉冲星的经验我们知道，脉冲式结构是由具有斜

　　磁场的中子星的发射引起的。黑洞不可能产生有稳定周期的

　　脉冲式强度变化。因为它不可能有斜向磁场。

　　这样，我们就有了种可以检验上述理论预言的观测方

　　法。因为，上述理论相当于说：

　　1. 具有脉冲式结构的

　　射线源，其质量应当小于

　　3.2个

　　太阳质量。

　　2. 质量大于

　　3.2个太阳质量的

　　射线源不可能有脉冲

　　式的强度变化。

　　104

　　这两条是可以通过观测来检验的，目前的观测结果列在

　　下面表里

　　射线双星名称

　　射线源的质量

　　以太阳质量为单位

　　类型

　　半人马座

　　3

　　武仙座

　　1

　　天鹅座

　　1

　　圆规座

　　1

　　0.70.14

　　1.30.21

　　>1

　　>4

　　周期型

　　周期型

　　爆发型

　　爆发型

　　由此可见，理论预言与观测结果很好地符合。强引力场

　　物理的第二个预言，可以说也比较成功地通过了观测检验的

　　关。

　　105

　　第十章引力波的证实

　　第十章引力波的证实

　　这章讨论的问题，在牛顿的引力理论中是完全没有的。

　　在牛顿体系中，完全没有引力波的地位。引力波是爱因斯坦

　　场方程与经典引力理论的个重要的质的区别。

　　什么是引力波

　　我们可以作个类比。图

　　101中的

　　图表示两个带

　　有电荷的物体构成的体系。当两个电荷发生振荡时，会发射

　　出电磁波，这是电磁学的最基本结论之。图

　　101中的

　　b图则是两个具有定

　　质量的物体构成的体系。

　　按照广义相对论，这两个

　　物体振荡时，就可能发射

　　出引力波。

　　引力波的传播速度也

　　是光速。并且，它携带着

　　定的能量。所以，它是

　　种实在的波。可以发射

　　引力波，也可以接收引力

　　106

　　图

　　101

　　振荡的两点电荷辐射电磁波

　　b两个质点发生振荡时，将辐射引力波

　　波。

　　波。

　　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它的预言，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

　　了六十年，直到

　　1978年底才取得了第个定量的观测证据。

　　原因在于引力波实在太弱了。

　　宇宙中的引力波源

　　许多加速运动的物体都可以发射引力波。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。但都太弱了。如果用根长为

　　20米，直径为

　　1.6米，重

　　500吨的圆棒，让棒高速转动，它将发射引力波。但是，即使

　　圆棒的转速达到它即将断裂的极限速度约为每秒

　　28转，它

　　所发射的引力波功率也不过只有

　　2.2 1019瓦，想要探测出如

　　此微弱的波，即使利用今天最先进的技术也是不可能的。

　　宇宙间大质量天体的运动，是较强的引力波源。例如，双

　　星体系就是种引力波源，下表给出些双星的引力波辐射

　　的强度。

　　107

　　双星名双星名

　　引力波强度

　　尔格秒

　　到达地球表面的能流

　　尔格厘米

　　2秒

　　仙后座

　　η 480年 5.61010 1.41029

　　牧夫座

　　ξ 150年 3.61012 6.71028

　　天狼星 50年 1.11015 1.31024

　　天琴座

　　β 13年 4.91028 3.81015

　　狮子座

　　14小时 1.81031 3.51012

　　可见尽管双星系统的发射强度比

　　500吨的圆棒要高得

　　多，但是，比起电磁波来仍是不足道的。例如，太阳的电磁波

　　辐射强度高达

　　4 1033尔格秒。比上表中任何个都大得

　　多。至于引力波到达地球时的能流那就更小了。

　　韦伯的实验

　　第个企图接收宇宙中引力波辐射的是美国的韦伯。他

　　设计和安装了能够接收引力波

　　信号的天线。

　　接收引力波的方式与接收

　　电磁波的方式十分不同。接收

　　电磁波很容易。人的眼睛照

　　相底板收音机等等都是电磁

　　波接收器。它们的基本道理都

　　样。即在电磁波作用下使电

　　图

　　102 在引力波作用下，圆形的

　　物体变成了椭圆形，来回地振荡子发生运动，由电子的运动检

　　108

　　测电磁波。

　　测电磁波。

　　图

　　102中

　　个圆形物体，当有引力波正面射到它的圆面时，它会由圆

　　形变成椭圆形，来回地振荡。

　　韦伯的引力波天线是个铝制的圆柱体，重约

　　3.5吨。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

　　图

　　103 韦伯和他的引力波探测器

　　109

　　们检测出来图

　　103。

　　这个天线的原理非常简单。但实际制作起来却很困难。

　　因为许多因素都会引起柱体的形变，只有排除掉外界“噪声”

　　引起的形变，才能探测到引力波。

　　1969年韦伯声称，他的天线在

　　1968年

　　12月

　　30日到

　　1969年

　　3月

　　21日的

　　81天观测中，收到了两次引力波的信

　　号。

　　韦伯的实验结果公布后，引起了物理界广泛的注意。许

　　多国家出现了引力波检测实验小组，企图重复他的实验。不

　　过，韦伯的结果也引起很多疑问。

　　首先，如果韦伯收到的是引力波信号，而且如韦伯自己宣

　　称的，这些信号来自银河系中心，那么，银河系中心必定有十

　　分激烈的事件，可是，核对当时的天文观测资料，却没有看到

　　任何异常的记录。

　　其次，如果引力波到达地球时的能量有韦伯宣布的那样

　　大，竟能达到

　　1010尔格厘米

　　2秒，那么银河系中每年就要消

　　耗

　　104个太阳质量，才能产生如此强的引力波。如果这样，我

　　们银河系的寿命只能有

　　107年。但天文观测证明，银河系已

　　经约有

　　1010年的历史了。这又是个矛盾。

　　更重要的是，其它各国的实验小组都没有重复出韦伯的

　　结果。所以韦伯的结果并没有得到公认。

　　现在般认为：目前实验室中引力波天线的灵敏度还太

　　低，不足以测到宇宙间的引力波信号，设法提高天线的灵敏

　　度，是各个引力波实验小组目前正在做的工作。

　　110

　　双星引力辐射阻尼

　　双星引力辐射阻尼

　　前面说过，双星是种典型的引力辐射源。引力辐射能

　　把双星的能量慢慢带走，使整个双星体系的能量变小。结果

　　使双星的周期越来越短。这个性质叫做引力辐射阻尼。

　　只要我们能证实引力辐射阻尼所引起的双星周期变短确

　　实存在。尽管没有直接测到引力波，也是对引力辐射理论的

　　种支持。这就是天体物理学家采用的方法。

　　不过，这种方法同样不容易真正做到。因为，能引起双星

　　周期变化的因素太多了。例如，两星之间的质量交流图

　　94，就能引起双星的周期变化。又如，两星体之间的潮汐作

　　用，也会引起双星周期变化。根据地学，古生物学等方面的分

　　析，在数亿年前月亮绕地球周的时间同现在并不样，这就

　　是由于地球和月亮之间的潮汐作用引起的。此外，双星的辐

　　射或者星风星体上吹出的粒子流都会使双星体系的质量减

　　少，这也会引起周期的变化。

　　总之，引起双星周期变化的因素可以分成两类。种是

　　引力辐射阻尼，是相对论的效应。另类是潮汐等非相对论

　　因素引起的。个适于检验引力辐射阻尼理论的双星体系应

　　当是：

　　相对论因素.非相对论因素

　　按照广义相对论：引力辐射阻尼反比于双星体系中两星

　　111

　　之间的距离

　　的五次方即

　　5。所以为了观测相对论因素，

　　应当选用距离较小的双星。然而，另方面潮汐的作用比例

　　于

　　..

　　r 3

　　..

　　..

　　其中

　　r是星体的半径，可见，要使非相对论因素减弱，又必须

　　要求两星间的距离大。

　　这两方面的要求是矛盾的。以致由太阳那样的普通恒星

　　所组成的双星体系，根本不可能满足全部条件。

　　由上式可以看到，只有

　　r足够小的星，才可能使非相对论

　　因素大大减弱，而使相对论因素明显超过非相对论因素。

　　所以，只有由两颗致密星

　　r很小组成的双星体系，才

　　有可能是个良好的检验引力波理论的天空实验室。

　　然而，直到

　　1974年以前，没有发现个双星，是由两个致

　　密星组成的。

　　r191316个理想的

　　相对论天空实验室

　　1974年底，美国射电天文学家胡尔斯及泰勒发现了颗

　　射电脉冲星。名字叫做

　　r1913161。这颗星与众不同。在

　　当时，所有发现的射电脉冲星都是单星，唯独

　　r191316

　　1 r是射电脉冲星的意思，

　　1913是赤经，

　　16是赤纬

　　112

　　肯定是双星中的个成员。

　　肯定是双星中的个成员。

　　有

　　59毫秒。在所有已发现的

　　射电脉冲星中，它的周期仅次于蟹状星云脉冲星见第九章，

　　居第二位。此外，双星系统的周期也很短，不到

　　8小时，但偏

　　心率很大。这些特征集中在起是十分罕见的事例。它引起

　　了很多人的注意。

　　这个双星系统，我们只能测到其中的 r191316，另

　　外颗到底是什么星呢可以通过双星的演化来作些推

　　测。

　　个双星系统，大体按照图

　　104所表示的几个阶段进

　　行演化。其中第个阶段是两个普通的恒星。第二阶段是，其

　　中质量较大的个开始膨胀，不断有物质从这颗星流到质量

　　较小的星上去。第三阶段是质量较大的星发生超新星爆发变

　　成颗致密星。第四阶段是原来质量较小的星开始膨胀，不

　　断有物质流到致密星上，这时的双星体系，应是个

　　射线双

　　星。第五阶段，原来质量较小的星也发生超新星爆发而形成

　　致密星，这就到了双致密星阶段。

　　当发br >