韋伯在聲望鵲起后的快速隕落，使引力波探測在燃起短暫的希望后重新陷入渺茫。然而大致就在這時(shí)，一項(xiàng)天文發(fā)現(xiàn)從一個(gè)完全不同的角度為引力波探測注入了新的生機(jī)。

盧昌海

1974年夏天，美國馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校的研究生赫爾斯受導(dǎo)師泰勒教授的“指派”，在阿雷西博天文臺從事一項(xiàng)系統(tǒng)的脈沖星搜索，作為博士論文的基礎(chǔ)。

搜索天體是比較枯燥的，且每天的流程高度重復(fù)，不過跟依賴肉眼的早期搜索相比，赫爾斯的搜索已在很大程度上采用了計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，從而減輕了繁重性。

在赫爾斯的搜索展開之時(shí)，人們已發(fā)現(xiàn)了約100顆脈沖星，因而脈沖星已算不上稀罕天體，甚至可以不夸張地說，只要技術(shù)足夠先進(jìn)，發(fā)現(xiàn)新的脈沖星乃是意料中的事。由于阿雷西博天文臺擁有當(dāng)時(shí)世界上最大的、直徑1,000英尺（約合305米）的射電天文望遠(yuǎn)鏡，技術(shù)的先進(jìn)毋庸置疑，因此赫爾斯的工作雖然枯燥，成功卻是有保障的。

不一樣的脈沖星

果然，搜索展開后不久的1974年7月2日，意料之中的發(fā)現(xiàn)就落到了赫爾斯頭上。

赫爾斯發(fā)現(xiàn)了一顆信號很微弱的脈沖星，只比探測閾值高出4%左右——換句話說，信號只要再弱4%以上，這顆脈沖星就會被赫爾斯的計(jì)算機(jī)探測程序所排除。從這個(gè)意義上講，這顆脈沖星的發(fā)現(xiàn)有一定的幸運(yùn)性。

由于脈沖星已算不上稀罕天體，信號微弱的脈沖星照說即便被發(fā)現(xiàn)，也容易遭到輕視。不過這顆脈沖星有一個(gè)指標(biāo)引起了赫爾斯的重視，那就是它的脈沖周期——也就是它作為中子星的自轉(zhuǎn)周期——特別短，僅為0.059秒左右，在當(dāng)時(shí)已知的所有脈沖星中可排第二，僅次于大名鼎鼎的蟹狀星云脈沖星。這種個(gè)別指標(biāo)上的“冒尖”抵消了信號微弱的劣勢，使這顆脈沖星變得吸引眼球，于是赫爾斯對它進(jìn)行了再次觀測。

再次觀測的時(shí)間為8月25日，目的是對脈沖周期作更精確的測定。

測定的結(jié)果卻有些出人意料：在短短兩小時(shí)的觀測時(shí)間內(nèi)，脈沖周期居然縮短了28微秒。脈沖星脈沖周期的變化本身并非稀罕之事，比如塵埃阻尼就可使脈沖星因損失轉(zhuǎn)動能量而致脈沖周期發(fā)生變化。但那樣的變化往往是極細(xì)微的，短短兩小時(shí)內(nèi)改變28微秒可謂聞所未聞。更離奇的是，塵埃阻尼一類的因素只會造成轉(zhuǎn)動能量的損失，從而只會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變慢，也即脈沖周期增大，赫爾斯觀測到的卻是脈沖周期的減小。

為了搞清狀況，在接下來的一段時(shí)間里，赫爾斯對這一脈沖星作了更頻繁的觀測。觀測的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了脈沖周期確實(shí)在以一種對脈沖星來說快得有些離奇的方式變化著，且變化的快慢并不恒定——比如在9月1日和9月2日的兩小時(shí)觀測時(shí)間內(nèi)，脈沖周期的減小幅度就不是28微秒，而是5微秒。

這到底是怎么回事？赫爾斯考慮了若干可能性，比如某幾次觀測出錯，或計(jì)算機(jī)程序有誤，但都逐一得到了排除。

雙星系統(tǒng)

最后，一個(gè)簡單而有效的假設(shè)浮出水面，完美地解釋了觀測效應(yīng)，那便是：赫爾斯所發(fā)現(xiàn)的脈沖星在繞一個(gè)看不見的伴星——確切地說是繞它與伴星的質(zhì)心——作軌道運(yùn)動，脈沖周期的變化是軌道運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。

這一假設(shè)若成立，即脈沖周期的變化果真是軌道運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，那么一個(gè)直接推論就是：依據(jù)軌道運(yùn)動沿地球方向的投影速度之不同，脈沖周期應(yīng)該既可以減?。▽?yīng)于投影速度為正）也可以增大（對應(yīng)于投影速度為負(fù)）。赫爾斯針對這一推論作了更多觀測，結(jié)果不僅觀測到了脈沖周期的減小和增大，也觀測到了其在兩者之間的轉(zhuǎn)變，為這一假設(shè)提供了近乎完美的“證據(jù)鏈”。不僅如此，從脈沖周期的變化規(guī)律中，赫爾斯還推斷出了脈沖星的軌道運(yùn)動周期約為7.75小時(shí)。

7.75小時(shí)是非常短的周期，這意味著脈沖星離那個(gè)看不見的伴星相當(dāng)近，軌道線度相當(dāng)小，運(yùn)動速度則相當(dāng)快。由于天體世界里的軌道都是由引力支配的，而脈沖星塊頭雖小，以質(zhì)量而論卻是像太陽那樣的龐然之物，能讓如此龐然之物沿相當(dāng)小的軌道高速運(yùn)動，則那個(gè)看不見的伴星也必然有極可觀的質(zhì)量。這種繞伴星“翩翩起舞”的脈沖星屬首次發(fā)現(xiàn)，這使得其地位由僅僅吸引眼球變?yōu)榱朔峭】伞?/p>

這非同小可的發(fā)現(xiàn)在泰勒和赫爾斯的搜索計(jì)劃里其實(shí)是有所期待的。

泰勒和赫爾斯的搜索，其主要目的固然是發(fā)現(xiàn)更多脈沖星，從中窺視它們的更多性質(zhì)，但在這堂正目標(biāo)之外，對意外驚喜也是有所期待的。在事先擬定的搜索計(jì)劃中，泰勒和赫爾斯特別提到的一類意外驚喜就是“發(fā)現(xiàn)哪怕一例雙星系統(tǒng)中的脈沖星”。

為什么“發(fā)現(xiàn)哪怕一例雙星系統(tǒng)中的脈沖星”也算得上驚喜呢？因?yàn)樵谔祗w世界里，雙星系統(tǒng)與單星有一個(gè)巨大區(qū)別，那就是提供了觀測天體在相互引力作用下作軌道運(yùn)動的機(jī)會，通過那樣的機(jī)會能測算出天體的許多性質(zhì)，其中包括質(zhì)量。別看當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的脈沖星多達(dá)100顆左右，能測算出質(zhì)量的卻一顆也沒有——因?yàn)楣铝懔闫丛谶b遠(yuǎn)天際里的脈沖星是沒機(jī)會顯示質(zhì)量，從而也沒法測算質(zhì)量的。

驚喜既已迎來，消息就不能一個(gè)人扛著了。9月18日，赫爾斯通過信件及內(nèi)部短波通信（那時(shí)長途電話還很罕見）通知了遠(yuǎn)在馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校的導(dǎo)師泰勒。在重大發(fā)現(xiàn)面前，科學(xué)家的行動速度絲毫不亞于偵探，接到消息的泰勒當(dāng)即乘飛機(jī)趕赴阿雷西博天文臺，展開了對這一雙星系統(tǒng)的研究。

這一雙星系統(tǒng)如今已被稱為“泰勒-赫爾斯雙星”，其中的脈沖星則被命名為PSRB1913+16。泰勒-赫爾斯雙星中的那顆看不見的伴星被認(rèn)為也是中子星，并且有可能也是脈沖星——只不過由于脈沖不掃過地球方向，因而無法觀測。泰勒-赫爾斯雙星與我們的距離約為21,000光年。

泰勒-赫爾斯雙星的發(fā)現(xiàn)引起了天文學(xué)家和物理學(xué)家的極大興趣。在1975年初的短短兩星期內(nèi)，知名刊物《天體物理學(xué)期刊快報(bào)》一連發(fā)表了7篇有關(guān)這一雙星的論文。截至1977年，論文數(shù)目更是超過了40篇。這在科學(xué)日益“產(chǎn)業(yè)化”，許多科學(xué)計(jì)算有現(xiàn)成軟件包可用的今天并不稀奇，在當(dāng)時(shí)卻算得上相當(dāng)熱門且相當(dāng)快速了。那些論文對泰勒-赫爾斯雙星所涉及的物理效應(yīng)幾乎進(jìn)行了“地毯式”的研究。

經(jīng)過那樣的研究，這對雙星的基本信息被摸清了——而且是以相當(dāng)高的精度被摸清了。不僅如此，這種摸清信息的過程還有著相當(dāng)?shù)男路f性，值得略作介紹。

首先說說質(zhì)量。對雙星系統(tǒng)來說，推算質(zhì)量的基本線索是軌道運(yùn)動。具體地講，只要知道軌道的大小和軌道周期，就能用牛頓理論推算出雙星的總質(zhì)量。但不幸的是，對泰勒-赫爾斯雙星來說，伴星壓根兒就看不見，軌道大小自然也就未知了。

相對論“逆襲”

有什么辦法能補(bǔ)上這一缺失信息呢？答案是廣義相對論。

熟悉物理學(xué)史的讀者也許知道，廣義相對論提出之初有所謂“三大經(jīng)典驗(yàn)證”，其中之一是解釋了水星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動。這種反常進(jìn)動在一般雙星系統(tǒng)中也存在，被稱為“近星點(diǎn)進(jìn)動”。不僅如此，雙星系統(tǒng)的“近星點(diǎn)進(jìn)動”其實(shí)比水星的近日點(diǎn)進(jìn)動更簡單，因?yàn)楹笳呋祀s了來自其他行星的引力攝動，真正廣義相對論獨(dú)有的效應(yīng)——所謂“反常進(jìn)動”——只占很小比例。而對雙星系統(tǒng)來說，其他天體的影響可以忽略，從而所有進(jìn)動都是“反常進(jìn)動”，都是廣義相對論獨(dú)有的效應(yīng)。按照廣義相對論，雙星系統(tǒng)的近星點(diǎn)進(jìn)動幅度與軌道大小有關(guān)。利用這一額外關(guān)系，雙星的總質(zhì)量與軌道大小這兩個(gè)未知參數(shù)便可被“一鍋端”——同時(shí)得到推算。

這種推算在數(shù)學(xué)上十分普通，在物理上卻是一種開辟新局面的新穎做法，因?yàn)檫@是首次用廣義相對論推算物理量的數(shù)值。在以往，科學(xué)家們雖早已習(xí)慣用牛頓理論推算諸如行星質(zhì)量那樣的物理量的數(shù)值，比牛頓理論更“高級”的廣義相對論卻反而始終只處在一個(gè)被檢驗(yàn)的位置上。只有這一次，由于牛頓理論“黔驢技窮”，廣義相對論才終于有機(jī)會做了一次漂亮的“逆襲”，成了推算物理量數(shù)值的工具。

科學(xué)家的胃口是“貪婪”的，這種“逆襲”有一次就有兩次。

這種“逆襲”之所以可能，在一定程度上得益于脈沖星PSRB1913+16的脈沖周期的高度穩(wěn)定。在扣除了諸如軌道運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)之類可以確切計(jì)算的物理效應(yīng)之后，脈沖星PSRB1913+16的脈沖周期每100萬年僅變化5‰左右，堪稱是當(dāng)時(shí)已知最精確的時(shí)鐘之一。這種脈沖周期的高度穩(wěn)定意味著泰勒-赫爾斯雙星所處的環(huán)境高度“潔凈”，塵埃阻尼一類的未知效應(yīng)微乎其微。這種脈沖周期的高度穩(wěn)定為進(jìn)一步探索提供了難得的機(jī)會。

進(jìn)一步探索的重點(diǎn)當(dāng)然是相對論效應(yīng)。泰勒-赫爾斯雙星的軌道半長徑僅為日地距離的1.3%左右，甚至跟太陽的直徑（139萬公里）相比也大不了多少。兩個(gè)總質(zhì)量比太陽質(zhì)量大數(shù)倍的天體，沿著幾乎能塞進(jìn)太陽肚子里的緊密軌道運(yùn)動，簡直是一個(gè)探索相對論效應(yīng)的“夢工廠”。

在這個(gè)“夢工廠”里，各種相對論效應(yīng)都比太陽系里的顯著得多，比如近星點(diǎn)的進(jìn)動——如前所述——跟水星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動相比，快了約35,000倍。

除近星點(diǎn)的進(jìn)動外，另一類重要——并且同樣“老資格”——的相對論效應(yīng)是時(shí)鐘延緩效應(yīng)。這類效應(yīng)分兩個(gè)部分：一部分是軌道運(yùn)動產(chǎn)生的運(yùn)動時(shí)鐘延緩效應(yīng)；另一部分是伴星引力造成的引力場時(shí)鐘延緩效應(yīng)。時(shí)鐘延緩效應(yīng)會對觀測到的脈沖周期造成影響，這種影響比多普勒效應(yīng)小得多，因而對觀測精度的要求更高，同時(shí)也有賴于脈沖周期本身的高度穩(wěn)定。由于軌道參數(shù)已知，對時(shí)鐘延緩效應(yīng)起決定作用的脈沖星PSRB1913+16的軌道運(yùn)動速度及它與伴星的距離便也成為已知，時(shí)鐘延緩效應(yīng)于是于是計(jì)算出來。

時(shí)鐘延緩效應(yīng)的重要性在于：這種效應(yīng)可以對雙星質(zhì)量做出區(qū)分（這可從伴星引力造成的引力場時(shí)鐘延緩效應(yīng)只取決于伴星質(zhì)量這一特點(diǎn)中得到預(yù)期），從而可推算出兩者各自的數(shù)值。具體的結(jié)果是：脈沖星PSRB1913+16的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的1.44倍；伴星質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的1.39倍。

這種推算使廣義相對論再次成了推算物理量數(shù)值的工具，是又一次漂亮的“逆襲”。

引力波效應(yīng)

不過，在一個(gè)探索相對論效應(yīng)的“夢工廠”里，廣義相對論不能只搞“逆襲”，也得老老實(shí)實(shí)接受一些新的檢驗(yàn)。從檢驗(yàn)的角度講，對雙星質(zhì)量的推算就先天不足了，因?yàn)樗强苛藦V義相對論才能得到結(jié)果的，從而精度再高也不能反過來驗(yàn)證廣義相對論，否則就成循環(huán)論證了。那么，這個(gè)探索相對論效應(yīng)的“夢工廠”能否對廣義相對論進(jìn)行新的檢驗(yàn)?zāi)?？答案是肯定的，手段之一正是引力波?/p>

泰勒-赫爾斯雙星包含了兩個(gè)比太陽還“重”的天體，并且沿著幾乎能塞進(jìn)太陽肚子里的緊密軌道運(yùn)動，這些因素都是非常有利于發(fā)射引力波的。這種引力波的輻射功率是可以計(jì)算出來的，結(jié)果約為7億億億瓦，相當(dāng)于太陽光度的2%，或一顆絕對星等約為9的暗淡恒星的光度，從而可勉強(qiáng)躋身天文數(shù)字。

不過雖功率勉強(qiáng)躋身天文數(shù)字，考慮到泰勒-赫爾斯雙星遠(yuǎn)在21,000光年以外，直接探測其所發(fā)射的引力波仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前的技術(shù)能力——更遑論當(dāng)年。

但幸運(yùn)的是，由于引力波會帶走能量，因而雙星軌道會逐漸蛻化，使雙星逐漸靠近。而雙星靠得越近，軌道周期就越短。因此通過對泰勒-赫爾斯雙星的軌道周期進(jìn)行細(xì)致監(jiān)測，原則上就可對引力波造成的軌道蛻化效應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)。這種檢驗(yàn)假如成功，雖不等同于直接觀測，也依然能構(gòu)成對引力波極為有力的支持。

1978年12月，距離泰勒-赫爾斯雙星的發(fā)現(xiàn)相隔了四年多的時(shí)間，在德國慕尼黑舉辦的一次相對論天體物理會議上，泰勒作了歷時(shí)15分鐘的演講，報(bào)告了對泰勒-赫爾斯雙星軌道周期所做的細(xì)致監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，軌道周期的變化在20%的精度內(nèi)與廣義相對論的預(yù)言——引力波造成的軌道蛻化效應(yīng)——相吻合。美國廣義相對論專家威爾盛贊了這一結(jié)果，并將之與1919年發(fā)布的愛丁頓的日全食觀測結(jié)果相提并論。這雖是顯著的夸張，但在廣義相對論研究長期低迷的時(shí)代，這一結(jié)果確實(shí)堪稱亮點(diǎn)，而且它所涉及的是引力波這樣一種此前只存在于“理論家的天堂”里，卻從未得到過觀測檢驗(yàn)的概念，從而具有一種承前啟后的意義。

不過，泰勒的結(jié)果雖是亮點(diǎn)，區(qū)區(qū)20%的精度卻絕非觀測和檢驗(yàn)的終點(diǎn)?？茖W(xué)不是一種固步自封的體系，自泰勒的結(jié)果發(fā)布以來，天文學(xué)家們繼續(xù)改進(jìn)著觀測，積累著數(shù)據(jù)，以越來越高的精度對廣義相對論的這一重要預(yù)言進(jìn)行著檢驗(yàn)。這種對比在千分之一量級的精度上驗(yàn)證了廣義相對論，從而對引力波的存在提供了雖然間接卻極為有力的支持。

雙星合并終有時(shí)

科學(xué)家們試圖傾聽時(shí)空的樂章而暫不可得，卻意外地在脈沖星的圓舞曲里得到了補(bǔ)償，這在人類探索引力波故事中是一個(gè)“東方不亮西方亮”的難忘插曲。脈沖星的圓舞曲雖“聽”不到，卻“看”得見，它精確地遵循著廣義相對論的指揮，基本撲滅了對引力波的殘存懷疑。

而且跟前面提到的“逆襲”成果不同，對引力波造成的軌道蛻化效應(yīng)的檢驗(yàn)不折不扣地構(gòu)成了對廣義相對論的檢驗(yàn)，因?yàn)樵谶@種檢驗(yàn)里，諸如雙星質(zhì)量那樣的參數(shù)在計(jì)算之前就已作為“逆襲”成果得到了確定，從而不再有變更的余裕。換句話說，廣義相對論對引力波造成的軌道蛻化效應(yīng)的預(yù)言是不再有回旋余地的預(yù)言，其所經(jīng)受的是直面觀測的嚴(yán)苛檢驗(yàn)。而比這更嚴(yán)苛的則是：自泰勒-赫爾斯雙星之后，天文學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多雙星系統(tǒng)里的脈沖星，它們每一個(gè)都在觀測所及的精度上檢驗(yàn)著廣義相對論。

這也是檢驗(yàn)現(xiàn)代物理理論的共有模式?，F(xiàn)代物理理論都帶有一定數(shù)目的自由參數(shù)，比如粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型帶有約20個(gè)自由參數(shù)，從而都有一定的擬合觀測的能力。但一個(gè)高明的物理理論之所以高明，就在于它能經(jīng)受的獨(dú)立檢驗(yàn)及它能做出的獨(dú)立預(yù)言的類型和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了自由參數(shù)的數(shù)目，這兩者的差距越懸殊，理論就越高明。廣義相對論正是這種理論的佼佼者。

在本文的最后，有兩件“后事”交待一下。第一件事關(guān)泰勒-赫爾斯雙星：由于引力波造成的軌道蛻變，泰勒-赫爾斯雙星將在約3億年之后合并，圓舞曲也將“曲終人散”（實(shí)為“曲終星聚”）；第二件事關(guān)泰勒和赫爾斯這兩個(gè)人：由于泰勒-赫爾斯雙星在天文學(xué)和物理學(xué)上的重要價(jià)值，泰勒和赫爾斯這對師生拍檔獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。