引力波的產(chǎn)生及性質(zhì)探究

□何泊杉

一、黑洞

黑洞是一種由引力彎曲形成的天體，能夠吸收宇宙中的一切物質(zhì)(包括光)而不反射任何電磁波，所以尋找黑洞并不簡單。但這并不代表沒有辦法，其一就是通過雙黑洞的碰撞過程中產(chǎn)生的引力波來判斷黑洞的位置，根據(jù)引力波的傳輸方向來判斷合并后的新黑洞的位置，然后通過引力波的強(qiáng)度來判斷碰撞前兩個(gè)黑洞的質(zhì)量以及相對運(yùn)動的速度。當(dāng)兩個(gè)黑洞相互運(yùn)動時(shí)，它們的引力場就會相互摩擦，從而互相產(chǎn)生引力干涉現(xiàn)象。這種現(xiàn)象使得黑洞引力場的引力變得極不穩(wěn)定，從而使時(shí)間和空間也不能穩(wěn)定存在，這種效果會隨著兩個(gè)黑洞的距離的靠近而增強(qiáng)，兩個(gè)黑洞引力場的摩擦，使得引力波得以產(chǎn)生。

只要兩個(gè)天體以一定的速度碰撞，就足以產(chǎn)生引力波，所以，對于單一的黑洞，也可以利用這種方法探測。只要那個(gè)黑洞正在吞噬恒星，它就一定會產(chǎn)生引力波，在探測單一黑洞時(shí)，需要利用由黑洞與其周邊天體的引力干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的引力波來探測黑洞的存在。由于黑洞只在兩極產(chǎn)生的X噴流，所以在兩級外的其他部位，不會有電磁波產(chǎn)生。即天體與黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波里不含電磁波的成分。

愛因斯坦的狹義相對論中，有一個(gè)不可超越的速度—光速(c=2.99792458×108m/s)，所以能量關(guān)系式E=mc2就是物質(zhì)所能達(dá)到的最大能量，p=mc是物質(zhì)所能達(dá)到的最大動量。由第一段的分析，不難得出結(jié)論：引力波的強(qiáng)弱與兩個(gè)碰撞單體的質(zhì)量并沒有太大的關(guān)系，而與其動量有直接關(guān)系。也就是說，只要兩物體的質(zhì)量一定，引力波的強(qiáng)弱取決于兩物體的相對運(yùn)動速度。當(dāng)引力波達(dá)到最大值時(shí)，其滿足關(guān)系式：m1v1+m2v2=(m1+m2)(v1+v2)=(m1+m2)c，也就是說，當(dāng)兩個(gè)物體體碰撞并且融合時(shí)，兩物體瞬時(shí)速度之和將會達(dá)到光速，而這時(shí)引力波的強(qiáng)度也將達(dá)到最大值。根據(jù)對稱性原理可知，當(dāng)引力波過了那個(gè)最大值點(diǎn)后，強(qiáng)度逐漸開始減弱。假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)確定的時(shí)間度量，則可以觀測到引力波的時(shí)間對成性，也就是說，引力波滿足正態(tài)分布。

由于引力波具有時(shí)間對稱性，所以若以引力波的峰值點(diǎn)為時(shí)間的零點(diǎn)則關(guān)于該點(diǎn)對稱的時(shí)刻引力波的強(qiáng)度相等。但這并不代表空間的對稱性，不過可以推測，如果形成的是史瓦西黑洞，則此黑洞成球形。根據(jù)球的空間對稱性以及黑洞的均勻性，可以知道，黑洞向各個(gè)方向產(chǎn)生的引力都是相同的，再結(jié)合引力波的正態(tài)分布，便可知引力波也存在空間對稱性。

二、中子星

即電場的旋轉(zhuǎn)使得磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化。但隨著兩顆子星的靠近，電磁—引力干涉現(xiàn)象也會增強(qiáng)，電場的旋轉(zhuǎn)速度也會進(jìn)一步加快，從而進(jìn)一步增強(qiáng)兩顆子星間的磁力，而磁力又會增強(qiáng)電場的旋轉(zhuǎn)……這樣一直下去。其能量的釋放量達(dá)到了最大值，并滿足關(guān)系式：m1m0v1+m2m0v2=(m1m0+m2m0)(v1+v2)=(m1m0+m2m0)c。

中子星表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了10T，大約是地球的100萬倍，所以在其磁場內(nèi)，任何物質(zhì)都將受到影響。假設(shè)一顆中子星正在被黑洞吸引，雖然黑洞能把中子星吞掉，然而這也可能導(dǎo)致黑洞被瓦解，因?yàn)橹凶有堑拇艌隹赡軙淖兒诙吹膬?nèi)部結(jié)構(gòu)。

三、類星體

類星體在宇宙中是一種很神秘的天體，它外表像星系，但發(fā)射的光譜卻不是一般星系的光譜。類星體的質(zhì)量都很大，一般都在幾億倍太陽質(zhì)量到十幾億倍太陽質(zhì)量，目前已知最大的類星體達(dá)到了太陽質(zhì)量的20億倍以上，能解釋這種想象的，只能是長期以來的物質(zhì)積累，即類星體的質(zhì)量會隨著時(shí)間而發(fā)生改變。由與前兩個(gè)天體不同，類星體的內(nèi)部非常大，而且極不穩(wěn)定，所以無法總結(jié)出內(nèi)形體產(chǎn)生引力波的規(guī)律。而目前最廣泛接受的一種觀念是，類星體的中心存在一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的1億倍。這么大質(zhì)量的黑洞只能是由多個(gè)黑洞合并而成。所以，類星體可能是由很多個(gè)星系經(jīng)過碰撞形成的。而在碰撞過程中，各個(gè)星系中心的黑洞也發(fā)生了猛烈的撞擊從而產(chǎn)生強(qiáng)大的引力波以改變空間中的任何物理現(xiàn)象，已導(dǎo)致其光譜發(fā)生改變。

如果兩個(gè)類星體會相互公轉(zhuǎn)，則它們會產(chǎn)生很大的向心力，并且發(fā)生碰撞，這將會是宇宙中最強(qiáng)的能量爆發(fā)，會爆發(fā)出電磁能、熱能、光能以及引力能的復(fù)合能量。如果它們產(chǎn)生的和動量足夠大，則會產(chǎn)生強(qiáng)大的引力波。在這里，第一段中所提出的公式也就不再使用了，因?yàn)樗紤]多種情況下產(chǎn)生的虛擬質(zhì)量的作用。

如果要探測由類星體產(chǎn)生的引力波，就必須將引力波分離出來。由于引力會以光速傳播，所以它會和光波同時(shí)傳播。故只要探測到光波，就能探測到引力波。根據(jù)廣義相對論光波會與引力波一起波動。

四、結(jié)語

引力波在宇宙中廣泛存在，但由于其特殊的產(chǎn)生條件，所以探測引力波很困難，只要兩個(gè)物體發(fā)生引力干涉現(xiàn)象，則它們就會產(chǎn)生引力波。