从引力波到反重力

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爱因斯坦的广义相对论预言：引力波（也称重力波）的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。法意合建的引力波探测器刚刚完工，将在2004年正式启用。强有力的证据显示，引力波不仅是爱因斯坦的假设，这种证据来自对中子星的观察。甚至爱因斯坦都认为引力波可能永远也探测不到，要观测到引力波从技术上来说困难是无以复加的。如果把世界上所有探测器的成本加起来，捕捉引力波的代价无疑是天文数字。
　　
　　在“广义相对论”发表近90年之后的今天，这种神秘莫测的波终于有可能向我们展示真面目。现在对引力波的研究方兴未艾，反引力或称反重力研究又提上了日程，这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想，科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华。

　　■名词解释

　　引力波

　　引力波也称重力波。早在1916年，爱因斯坦在提出“广义相对论”时就预言了引力波的存在。但只有宇宙中体积极大、密度极高的物体──例如超新星、塌缩的黑洞和中子星──释放出的引力波才能被探测到：某个超新星短暂地爆发出像数十亿个恒星组成的星系一样明亮的光芒，随后其碎片纷纷射向宇宙深处。但它的影响远远不止这些。超新星会令时空结构发生震颤，并波及到数百万光年以外的地方。这种现象被称为引力波。

　　中子星

　　中子星是巨星爆炸的产物，它们由中子构成，通常全部物质都压缩在像一座城市那么大的空间里。有些中子星自转速度极快，间歇性地释放出无线电波，天文学家可以利用无线电望远镜识别这些电波。

　　人们还不能直接探测到引力波，因为它的破坏性能量在广阔无垠的宇宙空间中被大大“稀释”了。如果你能靠近一个超新星，引力波就会把你和周围的一切撕成碎片。但等引力波到达地球时，它只能令时空产生最轻微的波动。

　　广义相对论预言存在引力波

　　在“广义相对论”发表近90年之后的今天，这种神秘莫测的波终于有可能向我们一展真面目。过去几年里，天文学家在美国、日本和德国设置了探测器，最近又在意大利距离比萨市12公里的地方设置了一个。这座法意合建的探测器名为“Virgo”，刚刚完工，将在2004年正式启用。这是一项大工程，而且耗资不菲。“Virgo”有一条长3公里的隧道，位于意大利比萨市的郊区，而隧道只是“Virgo”的部件之一。在日本国立天文台内，也有一条直角边长为300米的等腰直角三角形的隧道，一台名为“TAMA300”的激光干涉仪型的引力波检测装置不久前开始运转，这是世界上率先搜寻引力波的努力之一。

　　引力波也称重力波。早在1916年，爱因斯坦在提出“广义相对论”时就预言了引力波的存在。相对论认为时间和空间是不可分割的。我们不能再把三维空间与滴答作响的时钟分别对待，它们其实都是时空结构的组成部分。但广义相对论的一个推论还有待证实：如果一个物体突然运动，它应该以引力波的形式释放能量，就像铃铛摇动时会响一样。在理论上这适用于所有物体，包括人类。但只有宇宙中体积极大、密度极高的物体———例如超新星、塌缩的黑洞和中子星———释放出的引力波才能被探测到：某个超新星短暂地爆发出像数十亿个恒星组成的星系一样明亮的光芒，随后其碎片纷纷射向宇宙深处。但它的影响远远不止这些。超新星会令时空结构发生震颤，并波及到数百万光年以外的地方。这种现象被称为引力波，天文学家们都努力地想第一个证明它的存在，他们可能最终带领我们一路追溯到宇宙大爆炸的源头。所有理论都需要证据支持，但寻找证据非常困难。人们还不能直接探测到引力波，因为它的破坏性能量在广阔无垠的宇宙空间中被大大“稀释”了。如果你能靠近一个超新星，引力波就会把你和周围的一切撕成碎片。但等引力波到达地球时，它只能令时空产生最轻微的波动。要观测到引力波从技术上来说困难是无以复加的，无异于测量银河的宽度并把结果的误差保持在3厘米之内。因此甚至爱因斯坦都认为引力波可能永远也探测不出来。

　　引力波的确存在

　　建设“Virgo”历时6年，费用约为5500万英镑。如果把世界上所有探测器的成本加起来，捕捉引力波的代价无疑是天文数字。幸亏没有人认为这项工作会徒劳无功。强有力的证据显示，引力波不仅是爱因斯坦的假设。这种证据来自对中子星的观察。中子星是巨星爆炸的产物，它们由中子构成，通常全部物质都压缩在像一座城市那么大的空间里。有些中子星自转速度极快，间歇性地释放出无线电波，天文学家可以利用无线电望远镜识别这些电波。这种中子星被称为脉冲星。1974年，美国物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯第一次发现了一对脉冲双星。他们发现这两个天体的亲密环绕正变得越来越接近。尽管变化的幅度很小（大约每年只靠近1厘米），但它的意义却非同小可。这意味着两个天体正在损失能量，而且这种轨道变化与相对论的预测完全吻合。泰勒和赫尔斯认为能量正在以引力波的形式释放，这一发现使他们获得了1993年的诺贝尔奖。

　　“Virgo”和其他新建的引力波探测器一样，都是一种大型的激光干涉仪，专门利用引力波的特性来捕捉它。这种特性是：引力波令时空沿一个方向轴拉伸，沿与其垂直的另一个方向轴压缩。人们可以通过持续测量这两个方向上的距离，发现某一时刻出现在两个方向上的距离拉伸与压缩。就像所有的大型魔术一样，科学家们也利用镜子来做到这一点。从激光器发射的光线通过一个分裂器，分裂器把光束分别传送到L形连接的两个管道里，形成垂直角度。每个管道尽头挂有一面镜子，把两条光束反射回去，在交点汇合。人们特意改变了两道光的波长，这样它们反射回来时正好能互相抵消。这里设置有一个记录光线的光电二极管，平时它不会显示有光出现。但如果有引力波经过，两束光的传播距离会出现差异。那么当两束光交汇时，波形就不会完全干涉，从而导致发光。

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“Virgo”的技术规格之高令人叹为观止。镜子表面非常光滑，凸凹幅度小于百分之一微米（1微米等于百万分之一米）。而且它们对光的反射率达99.999％。激光器也非同寻常，因为它制造的光束是迄今最稳定的。那么，“Virgo”观测到引力波的可能性有多大呢？加的夫大学的班哥拉·沙塔普拉卡什教授说：“我们预计每年会有一到两次双黑洞合并的现象。这些预测是在不确定的理论基础上做出来的，因此几率可能更低。所以如果我们在三四年内什么都没有看到也是不足为奇的。”在此之后，就是对爱因斯坦理论真实性的检验了。人们计划对“Virgo”和其他引力波探测器进行升级，因此到2010年它们的灵敏度会提高10倍。这可以令观测范围扩大1000倍，在这么大的区域里，每年，也许是每天，都应该有形成引力波的天体活动。如果人们仍然一无所获，那将对天文物理学产生重大影响。沙塔普拉卡什说：“如果还不能发现引力波，我们将不得不开始怀疑天文物理学家的某些基础模型是否正确，例如双星系统是如何形成的。”

　　反重力研究再入科学家视线

　　爱因斯坦的广义相对论预言：引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。引力波是波动形式和有限速度传播的引力场。

　　爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在，但他提出的引力波与坐标的选取有关，在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有。因此在提出引力波存在的初期，包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度。1956年，皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年，邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，于是间接地证明引力波携带能量，并可被探测到。由于引力辐射极其微弱，目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波，而大质量天体的激烈运动，比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。

　　多年来，各国科学家都在致力于探测引力波，美国马里兰大学的科学家韦伯首创用一根铝棒作为天线进行探测，并声称探测到了不能排除是引力波的信号，但其他科学家都没有得到这一结果，韦伯的结论没有得到公认。现在对引力波的研究方兴未艾，反引力或称反重力研究又提上了日程，这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想，科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华。中国科学家在这方面已经做了有价值的实验和研究。

　　自从英国科幻小说作者威尔斯描述了“反重力”（能够屏蔽重力影响，使宇宙飞船飞向月球）后，反重力已经成为人类一个多世纪的梦想。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过从引力场中获取的能量驱动。这一会改变世界科学界和航空航天界禁忌的反重力研究，目前再次受到人们的关注，因为有消息说世界上最大的飞机制造商波音公司正在探索一些新概念，这些新概念可能在将来某一天彻底改变一个世纪来的推进技术。

　　波音公司进行的反重力研究概括起来就是该公司一个名为“先进空间推进技术重力研究（Grasp）”的项目。《简氏防务周刊》获得的一份有关文件阐述了波音公司认为该项目获得成功的重大意义。文件中写道：“如果反重力是确实存在的，它必将改变整个航空航天事业。”这种评价可能还不够。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过“无推进剂推进”———一种从重力场中获取能量的模式来驱动。

　　尽管，反重力是人们一个美好的梦想，但是传统科学长期认为，反重力是不可能的。1992年4月，已故的英国索尔福德大学教授、当时担任英国航天防御系统战略项目负责人的布赖恩·扬在伦敦机械工程师学会发表演讲，他在演讲中解释了为什么进行反重力研究与航空航天业乃至世界都有关。“Grasp”简报说明了波音公司为什么必须雇佣俄罗斯材料专家叶夫根尼·波德克列特诺夫的原因。波德克列特诺夫声称发明了可以屏蔽重力影响的装置。

　　1992年，任职于芬兰坦佩雷技术大学的波德克列特诺夫向一家英国物理学杂志提交了一篇论文，他描述了被置于高速旋转的超导体（极低温度时失去电阻）上面的一个物体如何失去将近2％的重量。这篇论文泄漏给了一家报纸。一来因为它涉及禁忌的“反重力”概念，二来因为它在主流物理界掀起了轩然大波，波德克列特诺夫被学校开除了。但这位俄罗斯人的研究吸引了美国国家航空航天局的注意，该局早已同亨茨维尔亚拉巴马大学的一位研究员有联系，这位研究员宣称她能制造出一种类重力场，能够利用高速旋转超导体排斥或吸引物体。

　　在20世纪90年代中期，位于亚拉巴马州的美国国家航空航天局马歇尔航天中心在重复波德克列特诺夫的实验时失败了。但是，该中心承认，不知道这位俄罗斯人制作超导盘的独特方法，它在很大程度上是在盲目地进行研究。

　　几年前，美国国家航空航天局向俄亥俄州哥伦布超导元件公司支付60万美元，制造波德克列特诺夫曾使用过的装置，并且聘请了这位俄罗斯人做顾问。这项实验虽然被延期了，但该项实验的负责人罗恩·科措尔自信实验可以完成。现任职于莫斯科化学研究中心的波德克列特诺夫，进一步发展了自己的思想。他同意大利科学家乔瓦尼·莫达内塞联合发表了一篇论文，详细介绍了一种“冲量重力发生器”的研究工作，它能对所有物体产生一种斥力。该设备使用一个强放电源“发射器”和一个超导“发射器”，制造出了一种“重力冲量”。波德克列特诺夫说：“时间很短，沿着放电的线路以极快的速度（实际上是瞬时）进行传播，经过许多不同物体，没有任何显著的能量损失。”他说，实验结果是对光束击中的任何物体都产生了推力作用，大小同物体质量成正比。波德克列特诺夫在调整一个激光瞄准装置时说，他的实验装置已经显示有能力击倒1公里外的物体，他声称，这一装置用同样的能量可以击倒200公里外的物体。正是波德克列特诺夫的“冲量重力发生器”的研究工作引起了波音公司的注意。在那份“Grasp”简报中，波音公司描述了该装置发出的光束如何不受任何电磁屏蔽影响，可以穿透任何物体而达到目标。

　　“淘金热”正在升温

　　在英国范堡罗航空展上，即将离任的波音“幻影研究”项目负责人乔治·米尔纳承认其公司对波德克列特诺夫的研究和其他反重力装置感兴趣。米尔纳同时称其公司相信这些装置蕴含的科学原理。他说：“其中的物理学原理看来是成立的，包含基本的科学原理，它们没有打破物理学法则。”“Grasp”文件指出其他大航空航天工业公司──如英国航空航天系统公司和洛克希德－马丁公司等也同波德克列特诺夫进行过接触。波音公司可能因先行一步而在“淘金热”中走在前面。50年前包括马丁公司、贝尔飞机公司和联合乌尔梯飞机公司等许多航空工业公司对反重力研究表现出了类似的兴趣，随即又变得沉默了。一些人揣测沉默是基于这样的事实，整个反重力研究因其可以改变世界的潜能被归属为最高机密。

　　事实上，一时看不到前景的反重力研究至少可追溯到20世纪20年代，当时美国发明家托马斯·汤森·布朗发明了一种盘状电容器，其朝上的一面接正极，朝下的一面接负极，电容器有朝正极方向升起的趋势。美国国家航空航天局的一位科学家申请了一项能产生推力作用的“二维非对称电容板”———一种盘状带电装置的专利。不知是不是巧合，现在进行的研究同布朗的想法非常相似。波音公司承认，正在位于西雅图的“梦幻工厂”研究反重力装置，被困很久的魔鬼就要从瓶子里钻出来了。