时空就像橡皮地毯.doc

时空就像橡皮地毯自1916年爱因斯坦预言引力波存在以来，许多科学家就一直试图通过实验测出引力波，但都没有成功。现在，几个高精密探测装置即将投入运行，其中在意大利建造的“室女图”激光引力波干涉天线就是其中之一。引力波，这个长期困扰科学家的世纪悬案即将被揭开。在自然界的所有相互作用力中，引力是最早被人们知道的力。它的最基本性质所有物体都以相同的加速度落向地面在17世纪初就被伽利略所知。17世纪末，牛顿建立了著名的万有引力定律。最后，则由爱因斯坦引力场所与时空畸变联系起来，建立了广义相以论。爱因斯坦的理论预言，宇宙中不仅充满运动着的物质电磁场，同时也存在另一种运动着的物质引力场。就像运动的带电粒子会产生在空间传播的变化的电磁场形成电磁波一样，运动的物体同样也能产生在空间传播的变化的引力场，形成引力波。引力波也是以光速传播的。目前，科学家已经可以肯定，广义相对论是正确的，因而引力波必定存在。长期以来，科学家一直在构思各种实验方法以探测引力波，并通过对射电脉冲双星PSR1913+16公转周期变化的研究间接证实了引力波的存在，但迄今直接测量引力波的实验沿未成功。长期以来，人们对空间的认识是建立在欧几里得几何之上的。在人们的传统观念中，空间就像一个由无数坚实的直线构成的网格，其中两点间的最短距离就是连接它们的直线。而时间与空间是无关的，就像河中的水一样流逝。但是，爱因斯坦打破了传统的时空观。按照广义相对论的观点，时间与空间是紧密联系在一起的整体，时空结构是弹性的，并使地毯发生变形，称为时空畸变。时空畸变的大小与物体质量有关，质量越大变形越大。物质集中的地方是引力场“浓密”的地方，也是时空弯曲最大的地方，这种时空弯曲产生质量的吸引效应万有引力。由于时空弯曲，两点间的最短程线不再是直线，而是一条沿着引力场走向的曲线。与宇宙调谐一致室女座引力波干涉天线是呈L形的大型金属结构（下左图），位于距意大利比萨10公里处的卡希纳。两条垂直的管道（下中图）各长3公里，它们以中心建筑大楼为起点，其中包含的钢管直径不12米的（下右图，钢管的局部），内部为高真空状态。中心建筑物内设有激光器和各种镜子，它们将激光束一分为二，稳定并“净化”其频率，而探测器则用来分析两束激光汇合后强度的变化，从而记录引力波经过时产生的相应信号。曾经有150位物理学家，80名工程师，70名技术人员和工人为建造这个设施而工作。这一现象已通过观测来自遥远恒星的光线而得到证实：如果一个巨大的物体正好位于地球与恒星之间，那么来自恒星的光线就会受到时空弯曲的影响，它的传播路径就会被扭曲而偏离一定的角度。这种效应还会形成一种有趣的引力透镜现象，它使远处的恒星变得更亮，有时还会形成双像。如果这个物体是一个黑洞，那么光线就会被吸到引力阱中再也出不来了。 第 3 页 共 3 页