李龍臣 2007年04月08日 13:37
引力波概念
我們都知道電磁波，那是物體的電磁輻射。靜止的電磁場輻射電磁波，加速運動的電荷也會輻射電磁波。我們也知道，物體都有引力，會產生引力場。愛因斯坦在發表廣義相對論後不久，預言引力場具有波動性質的引力振蕩，加速運動的品質（引力源）也輻射引力波。由於電磁波是由光子傳遞的，愛因斯坦假定引力波是由引力子傳遞的。
如何理解引力波？
廣義相對論認為，物質的品質使時空彎曲，引力就是時空彎曲的量度。如果把宇宙時空比做一塊橡膠板，品質不同的天體會在橡膠板上壓出深淺不同的坑，即引力阱。天 體運動就是在自己的引力阱中滾動，這種滾動會引起橡膠板的輕微波動，而當超新星爆發和黑洞碰撞時，由於品質（即引力）的突然變化，相當於品質在橡膠板上大力彈跳，因而引起橡膠板劇烈地上下抖動。這種波動和抖動就是引力輻射，即引力波。
這麼說來，地球繞太陽的公轉運動也會產生引力波。是的。不過它的能量很微小，只有千分之一瓦。因為引力是各種基本力中最弱的力。如在原子核中，核力是電磁力的100倍，而引力只有電磁力的1040分之一；相隔1釐米的兩個質子，其引力作用只有靜電力的1037分之一。因此，引力輻射非常微弱，一萬億千瓦的引力輻射，只相當於1千瓦的熱電絲。
但是，由於引力總是相加的，因而高緻密度的恒星如果以接近光速的速度運動時，可產生不可忽略的引力波。靠得很近的雙星脈衝星會發射很強的引力波。超新星爆發等劇烈活動，可在幾微秒之內產生很強的一次性的引力波，叫引力輻射爆發。旋轉黑洞是最豐富的引力輻射源，特別是當兩顆旋轉黑洞相撞時，會產生強烈的引力輻射。如品質各是10倍太陽品質的黑洞相撞，其引力輻射的強度是銀河系的電磁輻射強度的1000億倍。
為什麼引力輻射的強度當其小時非常弱，而當其大時又非常強呢？除了引力源的品質和運動速度因素外，其重要原因是，由加速品質產生的引力波，本身又是一個引力波輻射源，即引力波又產生引力波。
引力波確實存在嗎？人們試圖用實驗去檢驗。理論上，彈簧振子可產生引力波。所謂彈簧振子，是在一根彈簧兩端各連接一個有一定品質的物體。如果讓它振動起來，就會產生引力波。因此也叫“引力振子”。還有，一根繞其中心垂直軸旋轉的重棒，也會產生引力波。
不過用上述方法產生的引力波的能量小得可憐。如重500噸、長20米的鋼棒，以5轉/秒的速度（這是它強度極限以內的最大旋轉速度）旋轉，所產生的引力波能只有10∼29瓦。一個長10釐米的彈簧，兩端各重1千克物體組成的引力振子，以100次/秒、振幅1釐米的速度振蕩，若將其全部引力波能轉變為電能，要點亮一隻50瓦的燈泡，則需要的振子數，比組成地球的全部基本粒子數還多。
由此可見，用上述人工實驗的方法是難以檢驗到引力波的。因為即使實驗產生了引力波，目前也還沒有如此精密的儀器能檢測到它所產生的微弱引力波。那麼，要驗證引力波理論，就只好探測宇宙中巨大的天然引力波了。
