爱因斯坦的广义相对论是20世纪物理学上的重大成就，其理论体系之完美，吸引了众多的物理学家。然而在实验上或者在观测上都是获得了哪些实际应用呢？迄今为止，令人震惊的例子是很少的。

迄今的实验和观测几乎还全是停留在验证广义相对论是否正确上。最近，虽然发现了在天文学上十分重要的引力透镜效应^（*1）和MCHO^（*2），但目前广义相对论的最有效应用还只是在确定行星轨道或者行星探测飞船轨道时对相对论效应进行修正。

广义相对论之所以很少获实际应用最主要的原因是引力场远比核力或者电磁力要小，

广义相对论正确到什么程度

广义相对论显得重要的领域是强重力场，具体地说，脱离该重力场所需的逃逸速度可与光速相比拟。

如果用ε表示逃逸速度V与光速c之比的平方，那么在地球上ε=10^-9，在太阳表面ε=10^-6，都是十分微小的。

迄今，广义相对论只是在ε非常小的领域内从实验上获得了验证，1993年获诺贝尔物理学奖的、验证广义相对论的脉冲双星，其ε也只是10^-6左右。而在广义相对论真正起重要作用的ε近于1的领域，现在还几乎没有观测或实验验证。

当然，广义相对论对宇宙起源及演化，星体演化研究也有重要作用，这方面的观测还是较多的。例如，对表面上ε＞0.2，引力起主要作用的中子星的观测是X射线天文学和射电天文学中活跃的领域。但是从验证广义相对论这一点来看，这些天体的其他有关参数不确定性很大，还不能正确地推求相对论效应。

对物理学和天文学的新期待

现在人们正期待着探测到由于双中子星合并而产生的引力波 · 如果能探测到这种引力波，那么就有可能在广义相对论起主要作用的强引力场中第一次从实验上验证广义相对论。如果能在强引力场中证明广义相对论是正确的，那么以模型为先导的宇宙论、星体演化等理论就可以放心地使用了。反之，如果证明在强重力场中，广义相对论是不正确的，那么这将是现代物理学中的一个重大事件。

多数物理学家认为不会出现证明广义相对论是不正确的事件。但是回顾20世纪物理学的发展，它大大地超越了传统的牛顿力学或麦克斯韦电磁学的界线。从现在开始，再过100年将会怎样呢？展望21世纪的物理学，获得超越现代物理学范畴的新发展是极有可能的。特别是人们正期待着像高能物理、宇宙物理这样的要求巨额投资的大科学给物理学和天文学带来革命性的变化。

为使期待变为现实，欧洲宇航局（ESA）计划于2003年发射的中型科学卫星执行的7项计划之中，就有两项与引力物理学有关。其一是为验证广义相对论的等价原理和探求除核力、电磁力、万有引力之外的“第5种力”的STEP计划，另一项是要在宇宙空间建造巨大的激光干涉仪引力波天线的LISA计划。

沿地球轨道运行的500万公里的干涉仪

STEP计划是在失重状态下进行的自由落体实验，目的在于观测质量、材料不同的物体下落的差异。而LISA计划是发射4颗围绕太阳旋转的、其轨道与地球轨道相同的卫星。由这4颗卫星构成一个臂长为500万公里的激光干涉仪。

地面上的激光干涉仪，激光只是单纯地被反射镜反射回来，而宇宙中的激光干涉仪，由于反射镜间的距离很长，从中央的激光器发出的激光在到达两端的反射镜时就很弱了，入射到反射镜上的光，需经过同步放大后再返回中央。

这种引力波天线卫星，需要将行进了500万公里之长的距离的光聚集在数十厘米大小的镜面上，这是—项极为复杂的技术。为了极精确地控制光的传播方向，需要开发很多迄今世界上还没有的新技术。例如用能控制非常小的推力的微控制器来补偿太阳光的压力或其他压力等。

除了在宇宙空间建立引力波天线外，美国宇航局的喷气推进研究所还提出了建立围绕地球运转，距地面60万公里的引力波天线。

以上这些计划，无论哪一个都是以地面上的引力波天线技术的最新发展为基础的。例如，根据地面上的实验结果，作为激光光源可使用由半导体激光器激励的YAG（钇铝柘榴石）激光器，这样就可使装置高度轻量化和小型化，从而使得在宇宙间建立激光干涉仪引力波天线成为可能。

未来探测宇宙的新窗口

宇宙激光干涉仪引力波天线要探测的频段是1-10^-4赫兹的引力波，比地面上的引力波天线的探测频段低得多。宇宙引力波天线的观测目标是双中子星、大的黑洞或星系中的星体碰撞所产生的引力波，另外还有宇宙诞生时发出的背景辐射。

对如此低频的引力波进行探测，迄今为止，有过两次。其中之一是精密的测定在太空中飞行的“旅行者”号行星探测器距地球的距离。引力波会使这一距离有起伏，因此根据探测到的距离变化就能检测有无引力波 · 这一探测技术称为多普勒跟踪，它能测得频率约为10^-4赫兹的引力波。

对毫秒脉冲星进行定时测量，可以检测频率更低的引力波，在脉冲星之中，有一种以极快速度旋转的单星体中子星，它以毫秒的脉冲间距发出毫秒射电脉冲，这种星被称为毫秒脉冲星。毫秒脉冲星在10⁷~10⁸秒（年的量级）的时间范围内均匀地发射脉冲，因而利用它有希望建成比地上的原子钟更为精确的时钟，另外，如果能正确地测定脉冲星的脉冲周期，此周期起伏就表示有引力波信号存在。但据估计，利用这一手段检测，还需要将探测灵敏度提高2~3个数量级。

为了填补地面引力波天线和LISA计划之间的间隙，还有人提出了在月球上建立引力波天文台的设想。

地面上的公里级的引力波天线，大约在本世纪内或者下世纪初就可运转。这类引力波天线的探测目标是脉冲双星并体或超新星爆发时产生的引力波。但是脉冲双星并体或超新星爆发会在哪里发生，发生的几率有多大，就现在看，不可否认有关观测数据是不足的。不过有人估计，本世纪内在地面上接收到引力波的可能性大约在50%以上。

引力波探测最终会打开21世纪探测宇宙的新窗口，发展引力波天文学的意义也正在于此，为此，在较宽的频段内检测引力波是很重要的。

从探测波段看，LISA计划大大扩展了现有的观测窗口。同时它也大大地拓宽了观测对象，因此它是一项重要计划。另外，在这一计划中发展的技术不仅对物理学和天文学研究很有价值，而且从实用方面看，在未来的宇宙卫星间光通信上也能获得利用，因而这一计划又十分引人注目。

不管怎么说，大概到2010年，地面上的引力波天文台能够形成网络，也就是在这个时间，宇宙间的引力波天文台会开始出现。

［科学朝日（日），1994年5月号］

（*1）广义相对论预言的由于星体等的引力而引起光线弯曲的效应。由于此效应，一个更远的星体看起来是多个或者呈环状。

（*2）Massive Compact Halo Object之略。它是大小约为太阳的十分之一的看不见的星体，最近依靠引力透镜效应发现了它，MCHO有可能是宇宙中的暗物质，因而现在十分引人注目。