宇宙的伟大和人类智慧的极致:从引力波说相对论( 三 ) _相对论

黎曼几何的结论是，虽然我们生活在这个空间里，我们还是有办法测量这个空间是直的还是弯的。比如测量三角形的三个内角和是不是180度。如果大于180度，这个空间就是正曲率，反之则是负曲率。如果这个空间接近平直，曲率比较小，就需要一个很大的三角形才能看到明显效果。
以上是爱因斯坦利用黎曼几何写出的引力场方程，漂亮而貌似很简单。但这个方程展开后实际非常复杂，不但一般情况下不可求解，甚至一般解的很多基本特性也长期没有搞清楚。不过在广义相对论发表一年之内，这个方程的两个解还是被找到了。
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第一个解远看像一颗星星或一个质点，越靠近中心时空，扭曲得就越厉害，以至于任何物质接近到一定程度就再也出不来，即使光线也不能射出来，这就是黑洞。这样难以置信的东西在宇宙中竟然被找到了。黑洞不能被直接观测，因为它不发射任何粒子或光线，但天文学家们发现，宇宙中有很多地方，大量的物质被吸进去。
第二个解是爱因斯坦自己找到的，就是引力波。引力波是时空形变的涟漪，以光速在传播。当引力波穿过时，所有物体在某一个方向上的长度会变长、变短，如下图(图中的比例是极度夸张的) 。
爱因斯坦在1916年预言到引力波，之后一百年都没有被观测到，因为它太难观测了。首先，引力是一种很弱的相互作用。地球这样尺寸的物体，它的引力才能让人类感受到。其次，很重的物体，必须加速或旋转得很快，它的辐射才会比较大。地球绕太阳运转时会发射引力波，但地球走得太慢，一年才转一圈，它的引力波辐射只有区区一个灯泡般的200瓦。这双重的困难，使得造出一个引力辐射源超出了人类的能力。
然而放眼看宇宙，宇宙总会让我们惊愕。强大得多的辐射源是可以找到的。要想给一个巨大的天体产生巨大的加速度，就必须有强大的引力;要有强大的引力，就必须有另一个巨大天体离它很近;要想两个天体靠得很近又不发生碰撞，两个天体就必须有非常高的密度，以至于半径很小。
宇宙中有一类叫做中子星的天体，密度高达每立方厘米一亿吨!1974年，天文学家发现了一对距离很近的中子星，两颗中子星的质量大约都是1个半太阳(太阳质量是我们地球母亲的33万倍) ，相互的旋转周期只有不到8小时。按照广义相对论的计算，这个双中子星系统的引力辐射高达10的24次方瓦。这个功率仍然远不足以被直接观测到，但它的间接效应可以被看到：由于引力辐射，这个双星系统损失了势能，两颗星星会靠得更近，导致旋转周期加快。到1982年，天文学家们终于准确地测量到了这个微小的间接效应：每一年，旋转周期减少了76微秒，和广义相对论的预言完全一致。这项工作最终获得了诺贝尔奖。
然而这毕竟不是直接看到了引力波。宇宙中密度最大的天体是黑洞，两个黑洞靠得越近，旋转得就越快，引力辐射就越强，损失能量更快，因此就靠得更近，旋转得更快，直至碰撞结合，那一瞬间的辐射是最灿烂的。宇宙如此辽阔，两颗星星相遇的机会非常少;宇宙又如此浩瀚，这样的相遇是不是注定会在某时某刻发生呢?引力波的守望者们，对这种场景用计算机做好了仿真，守株待兔。