我必须向爱因斯坦先生提一个问题：在您的理论里引力作用是以多大的速度传播的？
——H克斯·玻恩（1913）
牛顿理论中的引力是一种在物体之间瞬时地作用的力，如本书前面所述，这个思想
是包括牛顿本人在内的众多物理学家所不能接受的。一个世纪后拉普拉斯对牛顿理论作
了修改，使引力作用以有限速度传播。但是这个主意很快就被抛弃了，因为它提出了一
个无人能回答的问题：如果一个物体受到激烈抗动，它的引力场就必须在很短时间里作
出调整，以与该物体的新构型相一致，那么这种调整是怎样传播的呢？
爱因斯坦广义相对论给出了一幅引力传播的自洽图像。爱因斯坦给自己提出的问题
是，一个加速运动的质量是否能辐射引力波，正如一个加速运动的电荷能辐射电磁波一
样。他在1918年得到的引力场方程的解表明，时空曲率波以光速行进，他发明出了～种
“引力光”。
引力波与电磁波之间的类比对于理解现象背后的本质是有帮助的，但也并不很大。
引力波的结构及其对物质的作用都比电磁波复杂得多。第一个重要的差异是，引力只是
吸引；质量，或称为“引力荷”，总是具有同种符号，由此造成的结果是，一个基本的
引力“振子”，即在一根弹簧两端振荡的两个质量，就不会辐射出与两个异号电荷产生
的同样类型的波（电磁辐射是偶极的，而引力辐射是四极的，引力振子中的每一个质量
都单独地是一个偶极子，不能产生引力波）。
另一个复杂性是，引力子，即假设的引力波的传媒粒子，有着与其能量相对应的
“引力荷”；而光子，即电磁作用的传媒粒子，却没有电荷。于是，由加速质量所产生
的引力波本身又是一个引力源，引力又产生引力。用专业术语说，这叫做“非线性”。
非线性甚至给看来是最简单的问题的解决都带来很大的困难，如像对两个运动物体所产
生的引力场的计算。与电磁场不同，如果两个质量各自产生一个引力场，则它们的合引
力场并不是各自引力场的相加，而是还必须考虑两个质量相互作用的引力，而这是随着
它们的运动而不断变化的。这就是为什么“两体问题”（例如双星系统的引力场）的牛
顿解很容易计算出来，而在广义相对论里却不能得到严格解的道理。
如果引力场足够地弱，则“非线性”可以被忽略，问题得以简化。这种做法在试图
探测遥远源的引力辐射时是适用的，但是，这种简化的方程不能运用于超新星或两个相
碰撞黑洞的附近区域。
引力波与电磁波之间的第三点根本差别是它们的相对强度。两个相隔一厘米的质子，
既有质量也有电荷，因而既有引力相互作用也有电磁相互作用，但它们相吸引的引力要
比相排斥的静电力小103’倍（原子核里把两个质子拉在一起的核力又比电磁力强100
倍）。这就是探测引力波的主要障碍。赫兹在实验室里产生和接收电磁波，是在麦克斯
韦预言其存在之后仅仅10年；爱因斯坦预言引力波的存在已有70年了，而引力波还没有
被探测到。
可以再举几个例子来说明通常条件下引力波的极端微弱性。先看一个具体的基本引
力振子：一根10厘米长的弹簧两端各有一个1千克的质量，它们每秒钟振荡100次，振动
范围为1厘米。假设这个系统所释放的引力能全都转化成电能，则为着点亮一只扣瓦灯
泡所需要的这种振子的数目，将比组成地球的全部基本粒子的数目还要多。
另一种形式的引力振子是让一棍棒绕通过其中心的垂直轴在水平面上旋转。在视线
沿旋转面的观测者看来，棒的投影长度在不断变化，棒表现出交替地缩短和伸长，这种
运动也产生引力波。一根长20米、重500吨的钢律以其强度极限内的最大速度旋转，即
每秒钟转5周，所释放的引力能仍是小得可笑：10”’瓦。
也许还是离开实验室，寻找太阳系里的自然引力源为好，但是情况仍不能令人鼓舞。
五百亿颗直径为1公里的陨星，以每秒10公里的速度落向地球时所产生的引力波能量，
才能点亮一只灯泡。当然，没有人还能活着看到这个结果。
在通常的天体中寻找引力源是无济于事的。为产生不可忽略的引力波，恒星必须以
接近于光速的速度运动，并且高度致密，即其半径接近于史瓦西半径。地球绕太阳公转
的速度是周公里／秒，半径是其史瓦西半径的10亿倍，产生的引力能只有0．001瓦。
贯穿本书始终的“相对论”星，至少能够短暂地具备有利于引力光发射的条件。它
们在发生最剧烈的变动时能成为很好的引力波源。由于这些星都离得很远（假如是在地
球附近，所有的生命就会荡然无存），它们的引力能只有极小一部分能够到达地球。
致密星系统是理想的引力波源。一对靠得很近的中子星能够辐射足够强的引力能，
由此产生的效应能被间接地探测到，因为轨道运动能量的丢失会由转动周期的缩短反映
出来。双星脉冲星PSR1913＋16是这种现象的一个极好例证，而且可能是目前仅有的引
力波的观测证据（见“脉冲双星的大贡献”一节）。
对单个恒星来说，标志其热核生涯终结的激变事件可以成为强大的引力辐射源泉，
导致中子星形成的超新星就是极其有效的释能事件。恒星在其坍缩的最后几秒钟所发射
的引力能，比它在热核生涯的几百万年中所释放的电磁能还要多。但是，与发射周期性
的引力波并被称为“引力脉冲星”的双星系统不同，超新星是～种“冲动”源，只产生
～次短暂的引力辐射爆发。
谈论引力最后总是回到黑洞，黑洞是超优美的相对论星，是最丰富的引力辐射源。
