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 李学生 （lixueshenglxs@21cn.com） 2007.05
一、引力的传播速度
摘要: 本文根据光速不变性原理引力场的时空本质，阐述了引力与电磁力的速度相等的原因, 预言了引力波一定为横波。
关键词：光速不变性原理、引力的传播速度、引力波、横波
Einstein在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》，到1922年已经再版了40次，还被译成了十几种文字，广为流传。以后,每逢日全食都进行了观测，但由于种种不确定的因素,光学测量精度的提高受到了限制。1973年，光学测量所得偏转角同理论值之比为0.95±0.11。60年代末，由于射电天文学的发展，使人们有可能用高于光学观测的精度来测量太阳引起的射电信号的偏折。这类观测所得偏转角同理论值之比在1975年已达到约1±0.01。
I.夏皮洛于1964年建议，测量雷达信号传播到内行星再反射回地球所需的时间，来检验广义相对论，为此他进行了长期的测量。到70年代末期，这类测量所得的数据同广义相对论理论值比较,相差约1％。这类实验也可以在地球引力场中，通过测量人造卫星的雷达回波的时间延迟来进行。
早在1916年， Einstein就根据弱场近似预言了弱引力波的存在，但最初关于引力波的理论是同坐标的选取有关的，以致引力波到底是引力场固有的性质，还是某种虚假的坐标效应，以及引力波是否从发射系统中带走能量等问题，长时间没有得到澄清。Einstein引力场方程是双曲型偏微分方程,它意味着引力场的扰动将以一个有限速度传播,这种扰动就是以光速传播的引力波。引力波方程可从Einstein引力场方程的弱场近似解导出，把弱场情况下的引力场势函数简化为一个二阶齐次偏微分方程，这个方程与电磁波方程在数学上完全相同，所以引力场的运动也是波动，其解也是普通的平面波方程，引力波是横波，速度等于光速。广义相对论的弱场辐射解具有如下的特点：在真空中以光速传播的横波没有偶极辐射，只有四极或更高级的辐射，它携带有能量，穿透能力极强等等。从物理图像上看，弱场近似下的辐射解毕竟是值得注意的，一方面，任何可观测到的引力辐射的强度都非常低，另一方面，弱场近似下的引力辐射理论，有可能沟通广义相对论同微观物理学之间的鸿沟，赋予引力学概念以确切的含义。
从50年代末到70年代初，广义相对论经典理论的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的进展。对于广义相对论是否存在引力波的问题一直争论不休，因为人们当时搞不清广义相对论中的引力波会不会仅仅是一种坐标效应，这在很大程度上是对广义相对性原理的不恰当的理解而引起的。直到50年代末，同坐标选取无关的引力辐射理论才开始形成，随后，科学家求出了 Einstein真空场方程的一种以光速传播的平面波前、平行射线的严格的波动解，并证明了检验粒子在引力波作用下会产生运动，从而表明了引力波携带着能量，不过，由于 Einstein方程是非线性的，有关引力波的一些理论问题仍有待继续澄清。60年代初，人们弄清了在理论上的确存在引力波。引力波可以看作是以光速传播的力场，它和电磁波在许多方面类似，和坐标系的选择毫无关系。由于引力波与物质的相互作用十分微弱，这给探测引力波的工作带来了很大的困难，用实验方法产生引力波的困难尤为严重。美国马里兰大学韦伯(J．Weber)教授于1958年开始进行引力波的实验，经过10余年的努力，曾宣布检测到来自银河系中心的引力波，但结果不十分可靠，目前尚无定论。70年代末，J.H.泰勒等人公布了对射电脉冲双星
SR 1913+16公转周期变短的长期观测的结果。泰勒等人认为，这种效应是由于引力辐射不断带走能量所引起的，他们的结果在20％的误差范围内同引力辐射的理论计算一致。1982年，他们又进一步发展了减小误差后的结果。不过，人们还希望利用多普勒跟踪法或激光测距法观测两天体在引力波作用下间距的变化来直接探测引力波。现在，美国航天局和欧洲航天局正在加速这方面的研究，并使测距精度大大提高(例如地球和月亮的距差为±5厘米)，其灵敏度Δl／l已达10－13～10－16，即便如此，还需把精度提高四个数量级才有可能探测到引力波。为此，欧美曾计划在1985年发射两艘深空间飞船（伽利略号和国际太阳极任务号），届时可望将测量精度提高到10－20。一旦引力波探测工作取得成功，就可以进而研究引力波的性质，从而就会判明那种度规理论对宏观引力现象的描述更符合客观事实。
大多数的科学家们都明确地认为，引力作用应该与电磁力作用相似，不是一种瞬态作用，而是有一定的作用的，但是用实验的方法确定引力的速度比较困难。2002年9月8日，土星巡弋在类星体JO842+1835的附近，虽然土星没有一般恒星的质量大，但它仍有相当大的引力。按照广义相对论的推测，在天空中类星体的位置在土星引力的作用下，将在若干天内完成一个小小的回路。美国Missour大学的S.Kopeiken教授和国家射电天文观测台的E.Fomolont教授观察到了这个回路，这两位科学家使用了具有非常长的基线阵列射电望远镜，因为这种抛物型探测器的配置可以提供10μs的角度分辨率，实验观察到的回路与按瞬态传播的引力所产生的回路间存在着一个微小的位移，位移的产生是由于引力具有一定的速度所致，他们计算出引力的速度是光速的1.06倍（其误差约为20%）。当他们将这个观测结果在2003年1月，在位于美国西雅图召开的“美国天文学年会”上报告后，就受到了来自美国华盛顿大学的C.Will教授与日本Hirosaki大学的Hideki Asada教授的质疑，他们认为射电望远镜实验只能很粗略地测量光速，而不可能提供引力速度的数据，因此这两种不同意见的争论要等待新实验的验证。【1】笔者认为，上面测量引力速度的方法应当是有效的，引力的速度应当严格地等于光速，实验数据在误差范围内也说明了这一点。由于光的传播决定于引力场的传播,光波只有横波,可以预言引力波也只有横波..2004年1月12日,由中国科学院和中国工程院582名院士投票，评选科学家首次测出引力速度为2003年世界十大科技进展新闻之一。
参考文献：
【1】《物理》 第32卷第5期 301页
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