相对论是什么 相对论的最终检验：宇宙时钟

伤我心太深

　　日复一日，有规律的无线电信号会抵达地球。其中最慢的听上去就像敲钉子的声音，其他的则像一部停在红绿灯前轰鸣的引擎，还有一些则可以发出几乎连续的音调。它们一起组成了宇宙特殊的乐章。

　　永远同一个声调、永远同一个位置，难怪天文学家在20世纪60年代第一次听到它们的时候，认为是来自外星文明的信号。

　　但这些信号并非来自E.T.，而是脉冲星。这些极端的宇宙天体已经吸引我们的目光超过了40年，但它们真正的作用还没有显现出来。对脉冲星的高精度计时测量也许会解决现代物理学中最大的谜题之一——引力波。 　　根据爱因斯坦的广义相对论，引力波是时空结构的微小涟漪。尽管建造了越来越大、越来越昂贵的仪器来探测它们，但结果却令人沮丧。脉冲星之于这些项目完全称得上是“隐形人”，而有关的实验也正在进行中。


　　人们首次和脉冲星建立联系是在1967年8月。当时在英国剑桥大学外的田野上，研究生贝尔和她的导师休伊什正在使用一个新的天线阵列来扫描天空中的射电源。当时的天文观测都记录在数千米长的纸带上。机械笔会在坐标纸上画下接收到的无线电信号，贝尔的工作就是从中识别出它们。

　　在一张记录纸上她发现了一些奇怪的东西：有一个脉冲信号每隔1.3秒就会出现一次。当时已知的任何天文现象都与之不符，贝尔和休伊什竭尽所能但还是找不到解释——不管是自然的还是人为的。他们甚至半开玩笑地说，这是“小绿人”发出的信号。

　　

相对论是什么 相对论的最终检验：宇宙时钟

　　[图片说明]：探测不同脉冲星所发出的脉冲到达地球时刻的变化可以探测宇宙中的引力波。版权：David Champion。


　　相对论的预言


　　在他们发表了研究结果的第二年，真正的罪魁祸首终于被揭露了出来——一颗中子星。它的直径只有几十千米，异常致密，是一颗数倍于太阳质量的恒星超新星爆发之后所留下的残骸。

　　除了极高的密度之外，中子星还具有高速的自转和强大的磁场。要使一颗中子星成为脉冲星，它的磁轴和自转轴之间就必须要有一定的夹角。只有这样，随着中子星的自转，从它的磁极发射出的强辐射才会像灯塔一样的扫过地球。尽管我们还不知道这些辐射是如何形成的，但望远镜能探测到它们的规律变化。

　　第一批发现的脉冲星都比较“懒散”，自转一周需要几秒钟的时间。但是，1982年却发现了一颗“毫秒”脉冲星(1毫秒=1/1,000秒)，它在1秒钟的时间里可以惊人地自转642圈。这完全得益于它从伴星处汲取的物质和能量。


　　毫秒脉冲星发出的脉冲也非常快并且有规律，因此可以做为绝佳的宇宙时钟，它的精度堪比任何的人造原子钟。由此它们也可以用来探测引力波。

　　根据爱因斯坦的广义相对论，物质会扭曲周围的空间和时间，产生我们所知的引力。即便是没有质量的光线也无法摆脱引力对它的影响。广义相对论中哪怕是最光怪陆离的预言也已经被天文观测和实验确认，这其中包括了黑洞的存在和大质量天体对光线的弯曲。但是有一个例外。如果两个大质量的天体相互绕转，相对论预言它们的加速度会扰动时空，产生向外传播的引力波。

　　到目前为止，只有一个间接证据能证明引力波的存在，而它正来自脉冲星。1974年，天文学家赫尔斯和泰勒发现了一颗围绕另一颗中子星转动的脉冲星，它们之间靠得非常紧密，互相绕转一周仅需8个小时。他们发现，在这两个天体转动的过程中彼此间的距离正在逐渐减小——如果这是由于引力波辐射带走了它们的能量所造成的话，这一结果和爱因斯坦的预言精确相符。


　　类似的过程也贯穿于宇宙的整个历史，并且在构建今天我们所见的宇宙中扮演了重要的角色。根据我们对星系形成的最佳了解，随着时间的推移小星系间的相撞、并合最终形成了大型的星系。小星系中央的黑洞也会并合并且形成存在于目前绝大多数星系中央的超大质量黑洞。当这一过程发生的时候，它们也会扰动周围的时空，发出依然留存到今天的引力波。

　　但即便有了长时间的累积，这些时空扰动的振幅依然很小，而引力波的波峰和波谷穿过空间中某一点也可能会要耗时数年之久。于是为了能探测到它就需要极度的耐心和超精密的探测器。在这些仪器中迄今所建成的最大的是激光干涉引力波天文台(LIGO)。分别位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两个LIGO通过使用激光来测量间隔数千米的镜面之间的距离随时间的变化来侦测引力波。但到目前为止，精确地讲，它还什么都没探测到。

　　

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　　[图片说明]：脉冲星是高速自转的中子星，它的磁极和自转之间的偏差造就了这些宇宙“灯塔”。版权：NASA。


　　这正是毫秒脉冲星发挥用武之地的地方。脉冲星距离地球都极为遥远，这使得引力波可以充分地拉伸和压缩时空，由此会造成脉冲星脉冲到达地球的时间发生改变。从理论上讲，为了探测这一效应你所需要做的仅仅是在几年的时间里以足够的精度来观测一颗明亮的毫秒脉冲星。

　　但实际上，即便是对于最亮的脉冲星这一效应也不足以显现。不过有一个巧妙的办法可以解决这个问题。当引力波向外传播的时候，它们会在时空的一个方向上拉伸而在与之呈90°的方向上挤压。对于穿过拉伸区到达地球的脉冲星脉冲而言，它们彼此的间距会被拉大;对于穿过挤压区的脉冲，它们的间距则会缩小。

　　如果我们能观测全天的脉冲星并且确定出它们的脉冲到达地球所需的平均时间，那么相对于这个平均时间的任何变化就有可能是由引力波造成的。如果观测到大量脉冲的变化具有相互垂直的拉伸、挤压模式，那无疑你发现“金矿”了。


　　这也正是天文学家目前在寻找的。为了探测到来自黑洞的引力波信号，你需要在5年的时间里每2周对20颗毫秒脉冲星进行精度为10纳秒(1纳秒=1/1,000,000,000秒)的计时观测。但不幸的是，可供使用的毫秒脉冲星并不多，而这也成为了所有人必须要面对的问题。

　　直到最近，在银河系的银盘中仅发现了大约60颗毫秒脉冲星，而它们也并不是所有都适合用于引力波探测。其中只有5、6颗具有100纳秒的计时观测精度，更多的则在200纳秒到微秒(1微秒=1/1,000,000秒)的量级。


　　毫秒脉冲星的发现


　　仅使用这些脉冲星来探测引力波仍然是可能的，只是需要更长的时间。毫秒脉冲星越多，探测能力就越强，所需的时间也越短。而这些脉冲星其实就在那里，只是还没有被发现。

　　不过事情也正在出现转机。2008年6月，美国宇航局发射了费米γ射线空间望远镜，它可以探测宇宙中的高能辐射源。2010年1月，“费米”科学家小组宣布，在短短3个月内他们就发现了17颗新的毫秒脉冲星。

　　这应该可以解决脉冲星计时观测的需要。但并不是所有新发现的脉冲星都适用——已经知道这其中有4颗是“黑寡妇”脉冲星，它们会吸积来自不可见伴星的物质。由于射电波和来自伴星气体间的相互作用，这会改变脉冲到达地球的时间。但是还有数百个“费米”发现的源有待确认，这兴许是一个新毫秒脉冲星的聚宝盆。

　　“费米”所发现的脉冲星有一个非常好的特性，那就是它们在天空中分布得非常均匀，其中有许多在北半球也能看到。相对于南天，北天到目前为止一直是脉冲星的沙漠——天文学家一直想通过首次全天脉冲星搜寻来改变这一状况。然而，只有把北天和南天的脉冲星放到同一张大“网”中才会在引力波探测上取得最快和最好的效果。

　　

相对论是什么 相对论的最终检验：宇宙时钟

　　[图片说明]：双脉冲星的概念图。版权：John Rowe。


　　那么，还要多久才能明确探测到引力波?最乐观的估计也许是下个星期，但根据已有的数据应该是在五年之内。这使得脉冲星计时和LIGO将展开一场势均力敌的竞赛，因为到2015年LIGO将完成关键的升级，灵敏度会提高10倍。这非常令人兴奋，目前双方第一个探测到引力波的可能性差不多是50对50。

　　那要是什么都没有探测呢?这将会是一个更为有趣的结果。如果探测到了引力波，每个人都会十分兴奋，爱因斯坦的头上也会多一顶光环。另一方面，如果引力波不存在，不但广义相对论会需要进行重大的修改，恐怕连我们对宇宙中物质是如何成团的整个想法也需要重新思考。通过星系并合构建的等级式星系形成模型将被排除，而我们也将回到原点。

　　但无论出现哪种情况，宇宙时钟现在仍在滴答滴答作响。