1993年度诺贝尔物理学奖于今年10月13日揭晓, 美国普林斯顿大学的拉赛尔· 赫尔斯(R.A. Hulse)和约瑟夫·泰勒(J.H.Taylor)有幸获此殊荣. 他们在1974年底 发现了一颗射电脉冲星 PSR 1913+16, 并证明它与另一颗中子星组成一个双星系统. 瑞典皇家科学院称该发现为"有关引力的研究提供了新的机会", 而该双星是" 一个 新的旋转太空实验室", 可以用来检验爱因斯坦最大胆的预言之一: 加速运动的物 体能发射引力波.
正如麦克斯韦建立电动力学之后便预言了电磁波的存在一样, 爱因斯坦在1916 年就根据他的广义相对论预言了引力波(或引力辐射)的存在, 即加速运动的物质可 能会发射出引力波. 然而在初期, 包括爱因斯坦在内的大多数人都怀疑引力波仅仅 是形式上的波动解而没有实质的物理效应. 直到五十年代末期从理论上证明引力波 是携带能量的并可以被探测到的, 引力波的存在才在理论上得到了充分的确认. 广 义相对论预言的引力波的主要特性是: 在真空中以光速传播; 携带能量和与波源有 关的信息; 是横波,在远离波源处为平面波; 最低次为四级辐射; 辐射强度极弱 ; 穿透性极强(物质对引力波吸收率极低); 其偏振特性为两个独立的偏振态等.
由于引力辐射极弱, 目前还不可能在实验室里发射可供探测的引力波, 而宇宙 中的大质量天体的激烈活动则可辐射强引力波. 因此从六十年代开始, 利用质量体 系做天线, 直接接收宇宙天体发射来的引力波. 进行这种观测的有十几个研究小组, 1969年韦伯(J. Weber)宣称探测到了来自银河系中心的引力波, 1987年有个小组声 称接收到了来自大麦哲伦星云(属于银河系的近邻星系)中的超新星1987A 爆发时的 引力辐射, 但这两个结果都因为没有旁证而无法得到公认.
另外可以通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在. 双星是一种 典型的引力波辐射源, 由于不断辐射引力波, 能量和角动量逐渐减小, 从而使双星 的间距变小, 公转周期变短, 这种效应被称之为引力辐射阻尼. 然而并非任何一个 双星体系都适合于这种检验, 因为有些非相对论因素( 如两星体之间的潮汐作用、 电磁辐射或星风等)也会引起公转周期的变化, 理论研究表明: 只有由两颗中子星 组成的双星体系才有可能检验引力辐射阻尼. 而赫尔斯和泰勒在1974年底发现的脉 冲星 PSR 1913+16 是目前已知的双星中唯一一个宜于进行引力理论检验的良好体 系.
脉冲星是一种具有短周期脉冲辐射的天体, 主要在射电波段发出辐射. 1967年 发现脉冲星以后不久, 脉冲星便被证认为是有很强磁场的快速自转着的中子星, 从 而证实了三十年代理论上预言的中子星的存在. 第一颗脉冲星的发现者之一休伊什 (A. Hewish)因此分享了1974年度的诺贝尔物理学奖(另一位获奖者是因射电望远镜 综合孔径技术而获奖的赖尔(M. Ryle)). 中子星的质量和太阳相近, 但它的体积很 小, 其半径仅为10公里左右, 因此中子星的密度极高并形成很强的引力场, 成为检 验广义相对论的主要研究对象. 值得注意的是, 只有那些具有强磁场、自转很快并 且辐射束扫过地球的中子星才有可能被作为脉冲星而观测到.
1974年底, 赫尔斯和泰勒在使用美国阿雷西博天文台的305 米射电望远镜进行 系统性搜寻脉冲星的工作时, 发现了脉冲星 PSR 1913+16, 它的脉冲周期约59毫秒, 即每秒钟有约17次脉冲辐射; 他们又分析了脉冲到达时间的变化, 证明该脉冲星处 于一个双星系统之中, 其运动轨道是个偏心率很大的椭圆, 公转周期为 7.75小时, 两星的间距与太阳半径差不多; 此外没有观测到该双星系统的X射线辐射. 依据这 些数据可以推断: 不仅 PSR 1913+16 是一颗中子星, 它的伴星也是一颗中子星 . 在目前已经发现的大约五百颗脉冲星中, PSR 1913+16 是唯一一个由两颗中子星组 成的双星系统. 从1974年以后, 泰勒和他的合作者不断地分析积累多年的观测资料, 确定了该双星系统的轨道参数以及各种相对论效应. 他们在 1984年发表的结果是: 两颗星的质量均为太阳质量的1.4倍, 为中子星的典型质量; 公转周期的变化率为 (-2.40±0.09)×10-12, 与广义相对论的引力辐射阻尼理论所预言的完全一致. 这 是引力波存在的第一个间接定量证据, 是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证.
纵观诺贝尔物理学奖, 到目前为止已有六次是颁发给天体物理研究成果的, 这 从一个侧面反映了天体物理的地位和作用. 天体物理学和物理学是相互渗透和相互 促进的, 天体环境是物理学的一个有效的有独特作用的实验室, 它所具有的"极端" 条件远远超过了地面实验室所设想的规模(如超真空、超高密、强磁场、超高温等), 这不但为实验室的系统性实验提供了无与伦比的配合, 也为开创研究领域提供了地 面上不可能达到的理想环境. 例如爱因斯坦的引力理论──广义相对论, 它的验证 和应用, 几乎全部都在天体物理范围内, 赫尔斯和泰勒的获奖项目就是一个例证. 可以相信, 在未来的岁月中, 天文学家将揭示更多的新现象, 更深入地解释和总结 这些新现象, 来促进物理学和天体物理学的发展与进步.