现在正在寻求广泛的研究以验证爱因斯坦的理论

引力是人们熟知的、使我们得以站在地上的力，正如牛顿在十七世纪揭露的那样，它不仅在地球表面上，而且在宇宙的一切物体之间，以大小总是随距离增大而减小那样在起作用。如果没有引力，太阳就会爆炸，行星就会飞入星际空间，星系就会像一个飞轮破裂那样瓦解。

引力虽然普遍存在，如与电力比较起来，它是非常弱的。一个原子的组元之间的电吸引力，比引力吸引力大约要大10⁴⁰。这样弱的力，就使得引力理论很难在实验室内验证；完全不容易产生出规定的引力场，如人们可对电场或磁场所作出的那样。只是在最近几年，由于技术的迅速进步，我们才享有发现和测量细微的引力效应的实际前途，这正是理论工作者所期望的。在今后几年内，大大地希望这些进步将使得引力物理学的状况，从一个仅与天文学家相关的稍微遥远的科学分支，改变成一个完全以实验室为基础的实验对象。

爱因斯坦的理论和弯曲时空

只有两种引力数学理论已广泛地被人们所接受：牛顿的和爱因斯坦的理论。牛顿的理论高度精确地描述了行星轨道的大小和形状，在1798年，Henry Cavendish在实验室内成功地证实了两物体间的引力的牛顿定律。如果两只战斗舰之间的引力只不过一千克重的话，这并不是什么了不起的事。

现在我们知道，牛顿的理论不可能是正确的，因为其中它假定两物体间的引力是同时作用，与此相反，相对论不允许任何作用比光还快。爱因斯坦建立的变换理论是从完全不同于牛顿的概念的基础出发的，它不把引力完全处理成一个力。代替它的，是把一个重物体当作畸变的时空来观察，更确切些，好像时空都是弹性的。这种时空翘曲的效应，扰乱了附近其他物体的运动。于是，引力归结为几何学问题。现在我们说，地球之所以在围绕太阳的弯曲路径中运动，不仅是因为它被迫偏离均匀的运动，而且是因为它正继续让出一条容易通过太阳附近的弯曲时空的轨道。

雷达测距

时空的弹性似乎是已测定的真实效应，可惜，太阳的巨大引力只产生一细小的畸变。现在正进行着验证太阳表面附近空间上的这种细微效应的实验，企图去证实爱因斯坦的理论。方法就是从地球发出一雷达信号，通过太阳附近，随后到达位于太阳遥远一边的另一行星，如金星上面。然后，非常精确地检测信号的回波，并测量绕行所用的时间。因太阳表面附近的空间畸变，雷达射线稍受弯曲，其飞行时间比起无曲率所应有的时间是较长一些。当行星运动逐渐接近地球和太阳之间的照准线时，所期望的信号延迟，将会每天增加约30微秒，这是一个容易测出的变化。

雷达测距实验的问题之一，就是非外来的其他效应干扰了雷达波。一个困难就是该行星没有光滑表面，当脉冲从不平坦的地形反射回来时，脉冲就有点失真。对于来自山顶或来自山谷的雷达波的跳跃来说，响应时间的差能够大到数十微秒。只有连续进行几个月的雷达实验，这些误差才可减小。目前，结果与爱因斯坦预测的，其一致性精度达到8%，但在若干年的测量之后，还应当更加精密。

1977年，两个海盗号着陆飞行器到达火星，提供了改善雷达测距的良好机会，因为飞行器本身可以当作一个转发器。因此，代替跳跃雷达波随机地离开火星表面的，是信号被“海盗”检测到，并被发回地球。这样一来，收到的只有来自火星上精确位置的无线电波，就回避了行星表面地形变化的性质的问题。转发器的测量已经证实，空间在太阳附近的确被弯曲了，与爱因斯坦理论一致的程度，达到1%以内的精度。

引力波检测

当牛顿提出他的引力理论时，他把引力看作一个在越过物体间的无任何东西的空间距离上的瞬时作用。爱因斯坦认为，同时的概念毫无意义，而时空结构，要求任何引力影响必须以同光一样的速度传播。这就意味着距离我们约8光分*的太阳分裂为二，在约8分钟内，我们不仅不能看到它，而且还不能感觉到它。

爱因斯坦的理论，以十分相似于电磁学的那种方法来描述引力，许多引力效应是类似于电动力学中非常著名的现象。特别，我们知道，当电荷受到扰动时，电磁波就产生出来，它以光的速度从扰动区扩展出去（光就是一种电磁波）。采用同样的方法，爱因斯坦理论预言，如果引力物质受到扰动，引力波将会产生。这些稀奇古怪的效应能够被想象为空间结构中的波纹，认为，它们会立刻出现波长和频率，刚好像电磁波产生那样。

最近几年，用巨大的决心来从事于发现引力波的努力，美国马里兰大学的天文物理学家Joseph Weber做了开创性的工作。许多天文现象被期望会产生引力波，如超新星的爆炸，星的碰撞及黑洞，双星的运动，即大量稠密物质的任何湍动和剧烈相碰。问题在于，因引力弱，只有非常高能的天文学的大变动才可产生足够的引力波扰动，以便用当前的技术加以检测。

检测的方法归诸于引力本身。当引力波通过物质时，它们可使物质以同波一样的频率扰动，以致实验者需要去做的一切，就是去监控一块物质的振动。实际上这是非常难以实现的，其原因大概是其他各种更高能的扰动使这种实验失败。必须找到某种方法，以滤掉地动、热脉动等等的影响。

最有名的装置，是一根小心平衡着的，并与地面尽最大可能绝缘的，长1米或2米的圆柱形金属棒。使棒冷却到绝对零度（约-273°C）附近，就有助于减小随机热效应。如此小心慎重的重要意义，是从如下事实显现出来的：所期望的引力诱生振动，使棒的运动小到单个原子核的尺寸。检测出10^-15的长度变化，就要求高度的技术水平和丰富的实验经验，这些实验仍然处在迅速发展的过程之中。

所有的检测仪都以某种方式依赖于共振现象：当机械系统被一个力以其固有振动频率驱动时，就迅速而有效地增强了该系统的振动。这就是无线电广播所用到的原理。我们还没有实际肯定在大地附近好像是最丰富的引力波的频率，以致建设起具有每秒1千周至2千周范围内的固有频率的检测仪似乎是一种无根据的行为；希望在于：检测仪将被调谐到任何这种频率的入射波的出现，而该频率能同其他许多频率调好频。为了消除来自地球引力源的随机扰动，检测仪最好是串列起来工作，彼此相隔数英里，且有一致的搜索灵敏度。

Weber在七十年代初，就使人异常兴奋地宣告，经常一致的结果已经记录在马里兰州大学和芝加哥附近的阿贡国家实验室的他的两个检测仪上。这些新闻使得科学家们急急忙忙地去研究天体物理过程，这种过程可以产生具有这样的起始频率的引力波的强烈爆发。自那时以后，其他实验小组都还没有证实Weber的结果，似乎，在这些短瞬波动存在性有一明白的证据之前，我们还必须为下一代更加灵敏的检测仪等待好几年。

量子引力和黑洞

引力物理学界，直到1924年因英国数学家Stephen Hawking关于黑洞的发现，才得

以翻身。黑洞，是当超密度物质在其自身引力的不可抵抗的压迫下，突然发生灾难性聚爆后留下来的莫名其妙的一种物体。黑洞作为理论游戏已经研究了许多年，但至今还没有一个人发现它。寻找黑洞将是爱因斯坦理论的又一最重要的证明。Hawking的发现就能使得证明的前景近在眼前了。

Hawking所发现的，就是当描述诸如原子那种微观物质的特性的量子物理定律用于黑洞时，该理论要求，黑洞实际上毕竟并非完全是黑的，而是以一确定的温度非常迟钝地发热发光。对于坍缩的星体来说，温度异乎寻常地低，该效应绝对是可以忽略不计的。而且在宇宙中就能够存在着并不比原子核大的微观黑洞，它具有比埃佛勒斯峰（珠穆朗玛峰——译注）还要大的质量！这种奇特的物体，就可能在远古宇宙中盛行的极端条件下，在所谓大爆炸之后立刻形成。这种细微黑洞的温度会高达10¹²度。

此外，当黑洞辐射能量时，就以直接蒸发的方式收缩其大小。对于原子核大小的细微黑洞，这种蒸发过程是缓慢的，完全消散全部质量需要几十亿年。然而，当黑洞收缩时，它仍然较快地热起来和辐射。在0.1秒的时间内，它以许多个氢弹的威力猛烈地爆炸。

Hawking的现象决定性地取决于如下事实，黑洞附近的时空严重受到弯曲。如果我们可以检测到黑洞消失时的最终的爆炸，不仅会证实爱因斯坦的引力理论，而且也证实了黑洞的量子性质。这种证明能够出现的方法之一，就是去检测这样一种爆炸会产生的伽马射线的猝发。幸好，大量的伽马射线检测仪已在人造卫星中运转，尽管某种猝发已被检测到，但这些猝发还没有一种来自黑洞爆炸所希望有的特征。

另一种可能性就是去寻求来自爆炸黑洞的无线电波。如果黑洞处在一弱磁场内，这些无线电波在带电粒子的最后能量脉冲中，就能在黑洞蜕变时产生出来。已知这些磁场充满星际空间。这种检测方法可以用现有的射电天文望远镜来完成，它似乎提出一种比伽马射线天文学更有希望的技术，因为可以检测到极为微弱的无线电波。

当然所有这些实验在不远的将来是可实现的，只有这一种给出了验证强引力场条件下的爱因斯坦理论的希望。一个细微黑洞表面上的引力要比太阳表面上的引力大10的30多次方，时空曲率的影响起着主导的作用。至今，爱因斯坦的理论只是在太阳系的弱引力场中验证过，而真正有意义的引力场现象却发生在诸如大爆炸那样的情形中，或者发生在引力是非常非常强烈的引力坍缩之中。在这些条件下，即使在微观级上得到该理论的证实，都会直接有宇宙的意义。

实验室控制的引力

在至今所描述的实验中，实验人员的作用仅仅是一种消极的作用：建立严格的等效性和依赖地球或更遥远天体以提供引力效应。如果我们也控制住整个引力源的话，就会得到有关引力现象的更多的信息。非常弱的引力亦暗示着，实验室内引力的产生和操纵，仍然会要求为检测引力所需的更加灵敏的仪器。如已所述，Cavendish是能测量实验室中仔细悬挂的重物之间的普通牛顿力的。今天物理学家感兴趣的，不是这种粗劣的效应，而是对它的细微的修正，这种修正，正如爱因斯坦所预言那样，是作为时空曲率的一个结果出现的。现代技术的优点，就在于我们能够在实际能测量这些效应的极限值上进行，而其中的某些效应，从前是绝对不会被观察到，因为所局限的环境适合于天文学装置中。

这些新效应之一，涉及到就像磁力属于电那样属于引力的力。当电流通过导线时，在其周围就产生一磁场。如果导线为圆形或环形，磁效应是相似于棒磁铁产生的效应。在引力中，一旋转质量就相似于绕行环形线圈的电流。按照牛顿理论，一旋转物体外面的引力，同有相同形状和成分的静止物体外面的引力是一样的，而在爱因斯坦的理论中，物体旋转的效应延伸出来，到达物体表面以外的空间中去，形象地说，在空间中建立起一束不可见的涡旋。这束涡旋可以在其他物体上发挥出力来，使得它们在旋转质量四周“拖曳”。原则上，这种效应应当在地球轨道人造卫星上被检测出来，或者用发射电磁信号同时到达旋转太阳两边的方法检测出来。实际上，建立起巨大而且迅速自旋的质量体，用精细而高度灵敏的仪器研究自旋体邻域内的引力扰动，以在实验室中检测该效应，可能是较为容易和较为便宜的。

超导性实验

由加利福尼亚理工学院的Carlton Caves提出的这样一种实验，采用一根具超导性壁的空心波导管。该波导管是弯曲一周形成一环形线圈的空心管，超导性表面像一高度有效的反射器那样起作用。因此，就可能用微波（电磁辐射）充满该管，而微波将不断地反射着它们的绕着该管旋转的路线，建立起一个固定的波谱，有点像一根拉紧的吉他琴弦上的圆形驻波。这个波谱在实验室内将显得是定常的，但是，如果在以1000米/秒旋转的5000克质量的物体附近放置一个环，则当地引力场的拖曳效应就产生出以同一方向旋转的谱。然而，该效应是几乎不可想象的小。甚至在两用以后，该谱只旋转一周的10¹⁴分之一，而这差不多是经过一小观察孔监控微波场强度才可检测出来。

主要问题就是把超导技术发展到这种水平，以至波谱可以持续如此长的期间，而没有被空腔壁所吸收。在该实验可完成之前，在超导性表面的反射特征方面将需要一个重要的改进。另外一个困难就是，地震干扰会引起空腔本身的旋转，而这种旋转比拖曳效应要大得多。计及这些干扰的最好办法，就是采用两个相同的共振器，使它们相隔某一距离而刚性地固定在一起，而且只把其中一个放在旋转质量附近。于是地震干扰将相等地影响两个共振器，而拖曳效应仅在后者将是重要的。这样一来，把每个空腔中的波谱位置加以比较，地震干扰就可被消除掉。

磁力

稍微容易检测的是法国数学家和物理学家AndréMarieAmpère著名实验的引力模

拟，他在十八世纪以该实验说明，在通有电流的两根圆圈形导线之间就存在一磁力。同样，在两个旋转质量之间，应当存在着由引力引起的一种“类磁”的力，超过它们之间由引力产生的普通牛顿力，牛顿力即使没有旋转也会出现。的确，当质量及旋转时，“磁”型引力实际上是排斥力。虽然从来没有看到，但理论却预言，这种力差不多能够强到足以建立起振动中的非常精细的扭转平衡。

Caves与Kip Thorne合作，和莫斯科大学的弗拉基米尔·布拉京斯基都已研究了这种可能性。他们建议的一个实验就能以如下方式实现：两个哑铃式的质量装置，按其中心水平地悬挂着，以致在非常小的干扰下它都可以来回扭动。其一个哑铃质量在其轴上迅速自旋，并紧靠在另外一个较大旋转质量附近排成一条线。较大质量首先沿一个方向旋转，吸引着哑铃质量，然后在相反的方向去排斥它。校准转变频率以正确匹配哑铃平衡的固有振动频率，则细微的引力- 磁力就可建立起共振振动。再做一次，平衡偏差非常小，地震噪声的效应，以及各个质量之间因随机振动引起常规牛顿力的变化，将会扰乱所求的现象。只有非常完善的技术才能把这些外来影响消除掉。

甚至以产生磁感应一样的方式来产生引力感应，也是可能的。磁感应现象是许多电学装置包括变压器出现之后才发现的原理。该效应为电学工程师所熟悉，如同当一个线圈位于另一个有可变电流的线圈附近时，或者后者载有定常电流同时稍有摇动时，在前一线圈中就会产生感应电流那样。在引力的情形中，在另外一个笨重静止柱体下面上下摇动的一个笨重旋转柱体，就起着载电流导线的作用，形同细线悬挂蓝宝石晶体。如果摇动频率刚好，引力- 磁场就应在晶体中引起一共振响应，使晶体完成细微的扭振。

弱化引力理论

有关爱因斯坦的理论的最重要的性质之一，就是来自一固定引力源的引力的强度不随时间变化。另一方面，许多其他的理论指出，当宇宙膨胀时，引力应当逐渐变弱。如果引力以此种方式“老化”，对于银河系、太阳，甚至地球的结构来说，引力会有深奥的性质，在数十亿年的宇宙学时间比尺之内，这些系统的引力就会明显下降。最近，某些月球的观察结果已被用来支持弱化引力理论，但在这个阶级，月球运动的复杂性不能得到一个明确的结论。

原则上，用对一个摆的振动周期的影响的说明来检测地球引力的弱化，将是可能的。一千年后就会发现，摆钟相对于比如说原子钟，每年差不多少一秒，实际上，利用一个水平振动摆是非常容易的，该摆振动不仅由于地球的引力（它是垂直方向的），而且由于在实验室中一个大的固定质量。这个摆的周期会是非常长的，因它所包括的引力场小，也许用一小时或两小时刚好使它来回摆动一次。在约一星期后，就可检测10¹²分之一个周期的变化，这种变化足以证实或者驳斥大多数的可变引力理论。

要求以非常先进的技术去完成这种实验。布拉京斯基、Caves和Thorne提出，摆就是上述类型的一种“哑铃”扭转平衡，整个设备——摆和质量——由蓝宝石单晶体演化出来的。这种系统的灵敏性是这样的，甚至晶体内部的原子随机运动都可以有一种干扰效应。为了消除这种效应，该装置就必须冷却到绝对零度附近。

因检测这些几乎不可想象地弱的现象所作出的激励，可能似乎正受阻碍。科学家们距离科学虚构的反引力装置还很遥远，这些装置似乎还没有希望把受控引力如同用电和磁那样用于工程的广泛领域之中。而且，在宇宙中还存在着许多奇异的物体，它们是如此密实，以致非常非常大量的物质被压入非常非常小的体积内。这些物体可以用摆动速度旋转。我们有各种理由假设，由爱因斯坦的理论所预言的仅能检测的细微效应，将在这许许多多非常条件下具有非常大的重要意义。作为认识这些问题的一篇文章，将使天文物理学家具有更大的信心去建立这些对象的模型，去探测地球上绝对不能存在的条件中有关时空的结构。

[The Sciences，18卷第1期，1978年18~22页]

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*光分：光走一分钟的距离——译注。