廣義相對論預言存在引力波
在「廣義相對論」發表近百年之後的今天，這種神秘莫測的波終於有可能向我們一展真面目。過去一些年裡，天文學家在美國、日本和德國設置了探測器，後來又在義大利距離比薩市12千米的地方設置了一個。這座法意合建的探測器名為「Virgo」，2004年正式啟用。這項大工程耗資不菲。Virgo有一條長3千米的隧道，位於義大利比薩市的郊區，而隧道只是Virgo的「部件」之一。在日本國立天文臺內，也有一條直角邊長為300米的等腰直角三角形的隧道，一臺名為「TAMA300」的雷射幹涉儀型的引力波檢測裝置也開始運轉，這是世界上率先搜尋引力波的努力之一。
引力波也稱重力波。早在1916年，愛因斯坦在提出「廣義相對論」時就預言了引力波的存在。相對論認為時間和空間是不可分割的。我們不能再把三維空間與滴答作響的時鐘分別對待，它們其實都是時空結構的組成部分。但廣義相對論的一個推論還有待證實：如果一個物體突然運動，它應該以引力波的形式釋放能量，就像鈴鐺搖動時會響一樣。在理論上這適用於所有物體，包括人類。但只有宇宙中體積極大、密度極高的物體──如超新星、塌縮的黑洞和中子星──釋放出的引力波才能被探測到：某個超新星短暫地爆發出像數十億個恆星組成的星系一樣明亮的光芒，隨後其碎片紛紛射向宇宙深處。但它的影響遠遠不止這些。超新星會令時空結構發生震顫，並波及數百萬光年以外的地方。這種現象被稱為引力波，天文學家們都努力地想第一個證明它的存在，他們可能最終帶領我們一路追溯到宇宙大爆炸的源頭。
所有理論都需要證據支持，但尋找證據非常困難。人們還不能直接探測到引力波，因為它的破壞性能量在廣闊無垠的宇宙空間中被大大「稀釋」了。如果你能靠近一顆超新星，引力波就會把你和周圍的一切撕成碎片。但等引力波到達地球時，它只能令時空產生最輕微的擾動。要觀測到引力波從技術上來說難度是無以復加的，無異於測量銀河的寬度並把結果的誤差保持在3釐米之內。因此甚至愛因斯坦都認為引力波可能永遠也探測不出來。
但引力波的確存在。
建設「Virgo」歷時6年，費用約為5500萬英鎊。如果把世界上所有探測器的成本加起來，捕捉引力波的代價無疑是天文數字。
幸虧沒有人認為這項工作會徒勞無功。強有力的證據顯示，引力波不僅是愛因斯坦的假設。這種證據來自對中子星的觀察。中子星是巨星爆炸的產物，它們由中子構成，通常全部物質都壓縮在像一座城市那麼大的空間裡。有些中子星自轉速度極快，間歇性地釋放出無線電波，天文學家可以利用無線電望遠鏡識別這些電波。這種中子星被稱為「脈衝星」。
1974年，美國物理學家約瑟夫·泰勒和盧塞爾·赫爾斯第一次發現了一對脈衝雙星。他們發現這兩個天體的緊密環繞正變得越來越接近。儘管變化的幅度很小（大約每年只靠近1釐米），但它的意義卻非同小可。這意味著兩個天體正在損失能量，而且這種軌道變化與相對論的預測完全吻合。泰勒和赫爾斯認為能量正在以引力波的形式釋放，這一發現使他們獲得了1993年的諾貝爾獎。
引力波探測器原理
Virgo和其他新建的引力波探測器一樣，都是一種大型的雷射幹涉儀，專門利用引力波的特性來捕捉它。這種特性是：引力波令時空沿一個方向軸拉伸，沿與其垂直的另一個方向軸壓縮。人們可以通過持續測量這兩個方向上的距離，發現某一時刻出現在兩個方向上的距離拉伸與壓縮。
就像所有的大型魔術一樣，科學家們也利用鏡子來做到這一點。從雷射器發射的光線通過一個分裂器，分裂器把光束分別傳送到L形連接的兩個管道裡，形成垂直角度。每個管道盡頭掛有一面鏡子，把兩條光束反射回去，在交點匯合。人們特意改變了兩道光的波長，這樣它們反射回來時正好能互相抵消。這裡設置有一個記錄光線的光電二極體，平時它不會顯示有光出現。但如果有引力波經過，兩束光的傳播距離會出現差異。那麼當兩束光交匯時，波形就不會完全乾涉，從而導致發光。
Virgo的技術規格之高令人嘆為觀止。鏡子表面非常光滑，凸凹幅度小於百分之一微米（1微米等於百萬分之一米）。而且它們對光的反射率達99.999%。雷射器也非同尋常，因為它製造的光束是迄今最穩定的。
那麼，Virgo觀測到引力波的可能性有多大呢？加的夫大學的班哥拉·沙塔普拉卡什教授說：「我們預計每年會有一到兩次雙黑洞合併的現象。這些預測是在不確定的理論基礎上做出來的，因此機率可能更低。所以如果我們在三四年內什麼都沒有看到也是不足為奇的。」
在此之後，就是對愛因斯坦理論真實性的檢驗了。人們計劃對Virgo和其他引力波探測器進行升級，因此到2010年它們的靈敏度會提高10倍。這可以令觀測範圍擴大1000倍，在這麼大的區域裡，每年，也許是每天，都應該有形成引力波的天體活動。如果人們仍然一無所獲，那將對天文物理學產生重大影響。沙塔普拉卡什說，如果還不能發現引力波，我們將不得不開始懷疑天文物理學家的某些基礎模型是否正確，例如雙星系統是如何形成的。
反重力研究再入科學家視線
愛因斯坦的廣義相對論預言：引力波的主要性質有：在真空中以光速傳播；攜帶能量和與波源有關的信息；是橫波，在遠源處為平面波；最低次為四極輻射；輻射強度極弱；物質對引力波吸收效率極低，引力波穿透性極強，地球對引力波幾乎是透明的；其偏振特性為兩個獨立的偏振態等。
引力波是波動形式和有限速度傳播的引力場。愛因斯坦雖然在1916年曾預言加速的質量可能有引力波存在，但他提出的引力波與坐標的選取有關，在某一個參考系看來，引力波可能有能量，而換一個參考系可能就沒有。因此在提出引力波存在的初期，包括愛因斯坦本人在內的大多數人對引力波都持懷疑態度。1956年，皮拉尼提出一個與坐標系選取無關的引力波定義；1957年，邦迪進而從理論上證明與坐標系選取無關的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和羅賓森更進一步證明，靜止物體在引力波脈衝作用下會產生運動，於是間接地證明引力波攜帶能量，並可被探測到。由於引力輻射極其微弱，目前還不能在實驗室裡發射可供探測的引力波，而大質量天體的激烈運動，比如雙星體系公轉、中子星自轉、超新星爆發、理論預言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等過程，都能輻射較強的引力波。
多年來，各國科學家都在致力於探測引力波，美國馬裡蘭大學的科學家韋伯首創用一根鋁棒作為天線進行探測，並聲稱探測到了不能排除是引力波的信號，但其他科學家都沒有得到這一結果，韋伯的結論沒有得到公認。現在對引力波的研究方興未艾，反引力或稱反重力研究又提上了日程，這項研究可能獲得的成果或許將徹底實現人類實現恆星際航行的夢想，科學家值得為這項研究投入畢生的精力和才華。
自從科幻小說作者威爾斯描述了「反重力」（能夠屏蔽重力影響，使宇宙飛船飛向月球）飛行器後，反重力已經成為人類一個多世紀的夢想。如果反重力是確實存在的，它必將改變整個世界。有句話說得好，科學是昨天的幻想，幻想是明天的科學。汽車、火車、輪船……所有你能想到的交通系統，都能通過從引力場中獲取的能量驅動。
「新概念」將改變世界
科學界和航空航天界禁忌的反重力研究目前再次受到人們的關注，因為有消息說世界上最大的飛機製造商波音公司正在探索一些新概念，這些新概念可能在將來某一天徹底改變一個世紀來的推進技術。
波音公司進行的反重力研究概括起來就是該公司一個名為「先進空間推進技術重力研究」（Grasp）的項目。《簡氏防務周刊》獲得的一份有關文件闡述了波音公司認為該項目獲得成功的重大意義。文件中寫道：「如果反重力是確實存在的，它必將改變整個航空航天事業。」
這種評價可能還不夠。如果反重力是確實存在的，它必將改變整個世界。汽車、火車、輪船，所有你能想到的交通系統，都能通過「無推進劑推進」——一種從重力場中獲取能量的模式來驅動。
早在20年前，已故的英國索爾福德大學教授、當時叫做英國航天防禦系統的戰略項目負責人布賴恩·揚在倫敦機械工程師學會發表演講，他在演講中解釋了為什麼進行反重力研究與航空航天業乃至世界都有關。
Grasp簡報說明了波音公司為什麼必須僱用俄羅斯材料專家葉夫根尼·波德克列特諾夫的原因。波德克列特諾夫聲稱發明了可以屏蔽重力影響的裝置。1992年，任職於芬蘭坦佩雷技術大學的波德克列特諾夫向一家英國物理學雜誌提交了一篇論文，他描述了被置於高速旋轉的超導體（極低溫度時失去電阻）上面的一個物體如何失去將近2%的重量。
這篇論文洩漏給了一家報紙。一來因為它涉及禁忌的「反重力」概念，二來因為它在主流物理界掀起了軒然大波，波德克列特諾夫被學校開除了。
但這位俄羅斯人的研究吸引了美國航空航天局的注意，該局早已同亨茨維爾阿拉巴馬大學的一位研究員有聯繫，這位研究員宣稱她能製造出一種類重力場，能夠利用高速旋轉超導體排斥或吸引物體。
在20世紀90年代中期，位於阿拉巴馬州的美國航空航天局馬歇爾航天中心在重複波德克列特諾夫的實驗時失敗了。但是，該中心承認，不知道這位俄羅斯人製作超導盤的獨特方法，它在很大程度上是在盲目地進行研究。
幾年前，美國航空航天局向俄亥俄州哥倫布超導元件公司支付60萬美元，製造波德克列特諾夫曾使用過的裝置，並且聘請了這位俄羅斯人做顧問。這項實驗被延期了。但美國航空航天局該項實驗的負責人羅恩·科措爾自信實驗可以完成。
前些年任職於莫斯科化學研究中心的波德克列特諾夫，進一步發展了他的思想。他同義大利科學家喬瓦尼·莫達內塞聯合發表了一篇論文，詳細介紹了一種「衝量重力發生器」的研究工作，它能對所有物體產生一種斥力。
該設備使用一個強放電源「發射器」和一個超導「發射器」，製造出了一種「重力衝量」。波德克列特諾夫說，「時間很短，沿著放電的線路以極快的速度（實際上是瞬時）進行傳播，經過許多不同物體，沒有顯著的能量損失。」
他說，實驗結果是對光束擊中的任何物體都產生了推力作用，大小同物體質量成正比。波德克列特諾夫在調整一個雷射瞄準裝置時說，他的實驗裝置已經顯示有能力擊倒1千米外的物體，他聲稱，這一裝置用同樣的能量可以擊倒200千米外的物體。
波德克列特諾夫的「衝量重力發生器」的研究工作引起了波音公司的注意。在那份Grasp簡報中，波音公司描述了該裝置發出的光束如何不受任何電磁屏蔽影響，可以穿透任何物體而達到目標。
「淘金熱」正在升溫
在幾年前的英國範堡羅航空展上，即將離任的波音「幻影研究」項目負責人喬治·米爾納承認其公司對波德克列特諾夫的研究和其他反重力裝置感興趣。米爾納同時稱其公司相信這些裝置蘊含的科學原理。他說，其中的物理學原理看來是成立的。複合基本的科學原理。它們沒有打破物理學法則。
Grasp文件指出其他大航空航天工業公司──如英國航空航天系統公司和洛克希德·馬丁公司等也在同波德克列特諾夫進行過接觸。波音公司可能因先行一步而在「淘金熱」中走在前面。
60年前，包括馬丁公司、貝爾飛機公司和聯合烏爾梯飛機公司等許多航空工業公司對反重力研究表現出了類似的興趣，隨即又變得沉默了。一些人揣測沉默是基於這樣的事實：整個反重力研究因其可以改變世界的潛能被歸屬為最高機密。事實上，一時看不到前景的反重力研究至少可追溯到20世紀20年代，當時美國發明家託馬斯·湯森·布朗發明了一種盤狀電容器，其朝上的一面接正極，朝下的一面接負極，電容器有朝正極方向升起的趨勢。美國航空航天局的一位科學家申請了一項能產生推力作用的「二維非對稱電容板」——一種盤狀帶電裝置的專利。不知是不是巧合，現在進行的研究同布朗的想法非常相似。
波音公司承認，正在位於西雅圖的「夢幻工廠」研究反重力裝置，也許被困很久的「魔鬼」就要從瓶子裡鑽出來了。 （中國航空報 作者：沈英甲）
責任編輯：胡光曲