孫慕天

量子力學(xué)的偉大先驅(qū)狄拉克說(shuō)過(guò)：“廣義相對(duì)論也許是人類(lèi)曾經(jīng)作出過(guò)的最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！边@是真正原創(chuàng)性的理論，是科學(xué)理性威力的強(qiáng)有力的證明，愛(ài)因斯坦自己也對(duì)這項(xiàng)成就充滿(mǎn)自豪：“要是沒(méi)有狹義相對(duì)論，總有一天也會(huì)有別人來(lái)發(fā)現(xiàn)它；但是我認(rèn)為，廣義相對(duì)論的情況不是這樣。”科學(xué)的事業(yè)是理性的事業(yè)，無(wú)論這一結(jié)論在科學(xué)哲學(xué)上存在多少爭(zhēng)議，但愛(ài)因斯坦無(wú)疑是擁有最高科學(xué)理性的人，而引力波正是這位科學(xué)巨匠最輝煌的理性成果。

還在愛(ài)因斯坦生前，廣義相對(duì)論的三大實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)—水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，光線在強(qiáng)引力場(chǎng)中的彎曲和引力紅移都已經(jīng)得到觀測(cè)結(jié)果的證實(shí)。唯有引力波的預(yù)言，此前只有間接的觀測(cè)驗(yàn)證，卻始終沒(méi)有直接在地球上被探測(cè)到。

現(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)的一個(gè)普遍的共識(shí)是觀察荷載理論，如薩普所說(shuō)：“人們?cè)趯徱曂滑F(xiàn)象的時(shí)候，依憑不同的理論就會(huì)觀察到不同的事物?！保ㄕ訤.Suppe： The Structure of Scientific Theories）這是對(duì)理性在科學(xué)中地位的新認(rèn)識(shí)。理論始終是實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)和指導(dǎo)，如波普爾所說(shuō)：“理論支配著實(shí)驗(yàn)工作，從它開(kāi)始計(jì)劃一直到在實(shí)驗(yàn)室里最后完成?！保ㄕ圆ㄆ諣枴犊茖W(xué)發(fā)現(xiàn)的邏輯》）

引力波探測(cè)之所以經(jīng)歷整整100年的漫長(zhǎng)歲月，這是由引力輻射的特殊物理性質(zhì)決定的。溫伯格說(shuō)，“在普通原子過(guò)程中產(chǎn)生的引力輻射數(shù)量極微”（摘自S·溫伯格《引力論和宇宙論》），例如太陽(yáng)以引力波形式所輻射的功率要比電磁波小1023到1024倍，僅約為1瓩。正像蘇聯(lián)物理學(xué)家?？怂赋龅模骸霸谒杏懻摦?dāng)中，除了純理論的討論而外，引力波的作用是完全可以忽略不計(jì)的?！保ㄕ鸳！ぇ　じ？恕稌r(shí)間、空間和引力的理論》）所以，探測(cè)引力波的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?，關(guān)鍵在于應(yīng)對(duì)引力輻射微弱這一客觀矛盾，找到合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。

引力波探測(cè)的理論根據(jù)是愛(ài)因斯坦提出的基本思路—“引力波的能量可以在怎樣的程度上傳遞給力學(xué)體系”。愛(ài)因斯坦肯定“起作用的波是一個(gè)傳遞能量的波”（摘自《愛(ài)因斯坦文集》），而來(lái)自引力波的能量增量是可以根據(jù)引力波方程計(jì)算出來(lái)的，如果所設(shè)計(jì)的觀測(cè)儀能夠測(cè)出來(lái)自輻射源的引力波所造成的物理效應(yīng)的量值，比較二者的擬合程度，就可以成功地檢測(cè)到引力波了。

引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)明顯地遵循兩個(gè)思路。

第一個(gè)設(shè)計(jì)思路是韋伯在1960年做出的，他在當(dāng)年美國(guó)《物理評(píng)論》第117期上撰文稱(chēng)探測(cè)到了引力波。韋伯裝置的原理是，使用具有自然振動(dòng)的、自由模式力學(xué)系統(tǒng)的共振四極天線，當(dāng)引力波頻率與該系統(tǒng)一致時(shí)，發(fā)生共振產(chǎn)生電壓信號(hào)。由于諧振子發(fā)出引力輻射的損失率依賴(lài)于截面的量級(jí)即天線的總尺寸，而韋伯裝置已經(jīng)是一個(gè)長(zhǎng)153cm，重1.4×106g的鋁柱，體積的增大顯然是有限度的。而且，這一裝置不能通過(guò)調(diào)諧使任何引力波頻率與之一致而產(chǎn)生共振。當(dāng)時(shí)已有眾多研究機(jī)構(gòu)（至少有12個(gè)以上）致力于同樣的探測(cè)，卻均無(wú)果而終。1973年4月27日在牛津都靈學(xué)院的相對(duì)論討論會(huì)上，格拉斯哥大學(xué)的德雷福爾指出：“其他觀測(cè)者發(fā)現(xiàn)，要重復(fù)韋伯的結(jié)果是很困難的?！庇?guó)《自然》雜志記者對(duì)這次會(huì)議所作報(bào)道的標(biāo)題就是—再見(jiàn)，韋伯的引力波。（摘自《科學(xué)與哲學(xué)》研究資料）1974年，在麻省理工學(xué)院召開(kāi)的第五次相對(duì)論討論會(huì)上，加溫和道格拉斯指出，韋伯誤判為引力波的信號(hào)是噪聲。

第二個(gè)設(shè)計(jì)思路是遵循邁克爾遜干涉儀的原理。1887年，邁克爾遜和莫雷用光學(xué)干涉儀檢測(cè)以太，假定確有以太存在，那么存在同一光源發(fā)出的光信號(hào)，在沿地球前進(jìn)的方向發(fā)出并反射回來(lái)的時(shí)間，一定會(huì)大于沿垂直方向發(fā)出的光信號(hào)往返的時(shí)間，這一光程差會(huì)通過(guò)干涉條紋的變化顯示出來(lái)。這一實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果證偽了以太的存在，為電磁波傳播速度即光速的不變性提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。如果做一類(lèi)比，引力波是否存在就像以太是否存在一樣，應(yīng)當(dāng)可以通過(guò)對(duì)引力輻射信號(hào)造成的影響來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。按照這一思路設(shè)計(jì)的LIGO（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，激光干涉引力波探測(cè)儀）， 設(shè)計(jì)了激光通過(guò)的L型垂直雙臂，讓從激光器發(fā)出激光，分成強(qiáng)度相等的穩(wěn)定的單色頻率激光束分別進(jìn)入兩個(gè)長(zhǎng)臂，如果引力波從垂直方向進(jìn)入，就會(huì)造成一臂拉長(zhǎng)、一臂縮短的變化，產(chǎn)生光程差，引起干涉條紋的變化。因此，只要觀察到這樣的光學(xué)效應(yīng)，就可以根據(jù)頻譜曲線和理論計(jì)算結(jié)果的擬合程度，確定引力波的存在。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求遵循可重復(fù)性、對(duì)照性、隨機(jī)性等原則，LIGO的引力波探測(cè)根據(jù)這些基本的原則，已經(jīng)和正在經(jīng)受進(jìn)一步的檢驗(yàn)。這次引力波探測(cè)設(shè)置了漢福德和利文斯頓兩個(gè)LIGO激光干涉儀；事件發(fā)生后0.4秒，費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到來(lái)自雙黑洞系統(tǒng)的伽馬射線暴；經(jīng)測(cè)算GW150914的誤警報(bào)率強(qiáng)度是20萬(wàn)年1次。當(dāng)然，可證偽性是科學(xué)理性的硬標(biāo)準(zhǔn)，GW150914仍然不能說(shuō)是定論，還有許多可以質(zhì)疑之點(diǎn)，整個(gè)科學(xué)界還要進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。但是，這畢竟是跨度長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的嚴(yán)格的科學(xué)活動(dòng)，是閃耀著理性光輝的科學(xué)創(chuàng)造性行為。

科學(xué)事業(yè)既是理性的，又是理想的。

引力波探測(cè)曠日持久，耗資巨大，而且至少在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)看不到直接的物質(zhì)利益。這一設(shè)計(jì)最初是1960年代由美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的福沃德首先提出的，1972年麻省理工學(xué)院的韋斯提出了LIGO的最初構(gòu)想；索恩說(shuō)服了加州理工學(xué)院支持LIGO，原在格拉斯哥大學(xué)工作的德雷弗也參加進(jìn)來(lái)；1991年得到美國(guó)科學(xué)基金會(huì)的支持開(kāi)始建設(shè)LIGO，直到2015年9月14日才成功探測(cè)到了引力波GW150914，前后歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，可謂曠日持久。這一項(xiàng)目技術(shù)要求極高，其精確度相當(dāng)于地月距離誤差僅為原子半徑大小，所用反射鏡的亮度達(dá)到300萬(wàn)個(gè)光子入射僅1個(gè)光子反射出來(lái)，而距離4km的長(zhǎng)臂在引力波入射時(shí)距離變化是10-18m，激光通過(guò)的空腔真空度為萬(wàn)分之一大氣壓。所以參與工作的一位科學(xué)家說(shuō)LIGO是“世界上最精密的測(cè)量?jī)x器”。這樣的工程需要龐大的資金投入，據(jù)估算總投資高達(dá)6.2億美元（相比之下，我國(guó)阿里的原初引力波探測(cè)項(xiàng)目總投資僅6900萬(wàn)美元）。GW150914的引力波探測(cè)有100多所高校參與其中，工程設(shè)計(jì)建造，儀器操作維護(hù)，數(shù)據(jù)搜集分析等項(xiàng)工作動(dòng)員了1000多名專(zhuān)業(yè)人員。顯然，引力波探測(cè)是典型的大科學(xué)工程。問(wèn)題是，雖然從減震、激光和極低噪聲等項(xiàng)技術(shù)說(shuō)，LIGO會(huì)帶來(lái)一些附加的實(shí)際效益，但從該項(xiàng)目本身說(shuō)，至少在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)帶來(lái)任何經(jīng)濟(jì)效益。

既然如此，為什么還要做這種徒勞無(wú)益、勞民傷財(cái)?shù)氖虑槟?？?dāng)然，從功利主義的角度說(shuō)，基礎(chǔ)科學(xué)的重大進(jìn)展最終會(huì)成為新技術(shù)革命的基礎(chǔ)，是產(chǎn)業(yè)革命的根本動(dòng)力。但是，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，功利目標(biāo)卻不是基礎(chǔ)研究的直接動(dòng)機(jī)。愛(ài)因斯坦在紀(jì)念普朗克60歲生日的講話(huà)《探索的動(dòng)機(jī)》中說(shuō)：“渴望看到這種先定的和諧，是無(wú)窮的毅力和耐心的源泉”（摘自《愛(ài)因斯坦文集》），他斷言：“科學(xué)探索的發(fā)展主要在于滿(mǎn)足對(duì)純粹知識(shí)的渴求?！保ㄕ浴稅?ài)因斯坦語(yǔ)錄》）那些孜孜以求忘我投身引力波探測(cè)的學(xué)者，身上流著的正是愛(ài)因斯坦的血液。

韋伯早在1959年就提出探測(cè)引力波的設(shè)想，那時(shí)沒(méi)有任何相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的資料可供參考，完全是白手起家。到1967年，他經(jīng)過(guò)整整兩年的觀測(cè)得到1657赫茲的10個(gè)事件，可謂千辛萬(wàn)苦。他同時(shí)還設(shè)計(jì)了一種特別精細(xì)的重力儀，進(jìn)行噪聲輸出研究，在兩個(gè)相距1000公里的共同裝置上，在0.4秒的分辨時(shí)間里同時(shí)記錄到17個(gè)共同激發(fā)事件。但是，主要由于設(shè)計(jì)方案和技術(shù)水平的限制，韋伯的實(shí)驗(yàn)以失敗告終。盡管如此，韋伯這種蓽路藍(lán)縷、堅(jiān)持不懈的探求，成了引力波探測(cè)史上悲劇性的開(kāi)篇。WG150914的成功正值韋伯初次用實(shí)驗(yàn)在地球上直接探測(cè)引力波50周年，索恩高度評(píng)價(jià)這位先驅(qū)者說(shuō)：“他是這一領(lǐng)域真正的父輩先驅(qū)?！痹谛侣劙l(fā)布會(huì)上，有記者問(wèn)韋伯的第二任妻子特林布爾，她的丈夫是否真的看到了引力波，她回答說(shuō)：“我不知道，但是我認(rèn)為，有兩種技術(shù)向前推進(jìn)，相互促進(jìn)，作為合作者而不是對(duì)手，就會(huì)更快地完成（引力波的）探測(cè)?！保ㄕ訰emembering， JosephWeber：the Controversial Pioneer of Gravitational Wave）

從總體上說(shuō)，WG150914的成功體現(xiàn)了科學(xué)社會(huì)學(xué)家默頓所說(shuō)的科學(xué)的精神氣質(zhì)，首先是科學(xué)的無(wú)私利性。從宏觀上說(shuō)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)對(duì)待基礎(chǔ)科學(xué)的原則是“重申請(qǐng)，輕完成”，80%的精力致力于立項(xiàng)和審核，只有20%的精力去管理項(xiàng)目。作為項(xiàng)目主要依托單位的加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院，都特別偏重科研和學(xué)術(shù)，重視基礎(chǔ)科學(xué)工作；從學(xué)術(shù)氛圍說(shuō)，兩個(gè)學(xué)校都反對(duì)急功近利，支持原創(chuàng)性，鼓勵(lì)“有完全自由樂(lè)趣的思考”；對(duì)待科學(xué)人才的評(píng)價(jià)重在研究經(jīng)歷、才能和潛力，不計(jì)較與學(xué)術(shù)無(wú)關(guān)的社會(huì)方面的“短板”，所以被稱(chēng)作“呆子的天堂”。兩所院校研究團(tuán)隊(duì)也有許多恩怨摩擦，但是終究能夠放下一切嫌隙，精誠(chéng)合作。天才的理論物理學(xué)家索恩和卓越的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家韋斯緊密配合，使不同類(lèi)型的科學(xué)精英人盡其才，帶領(lǐng)一批有理想有才能的學(xué)術(shù)精英，組合成一個(gè)充滿(mǎn)創(chuàng)造力的科學(xué)共同體，其精神支柱就是揭開(kāi)引力波之謎這個(gè)崇高的科學(xué)理想。

當(dāng)然，美國(guó)也不是理想的科學(xué)凈土。諾貝爾獎(jiǎng)得主科恩伯格曾慨嘆，在美國(guó)科學(xué)界缺乏“對(duì)從事基礎(chǔ)研究抱有濃厚的和主動(dòng)的興趣的人”，很多人是以財(cái)源是否茂盛來(lái)選擇他們的興趣中心。（摘自G·拜林斯基《美國(guó)科學(xué)研究存在的問(wèn)題》）這也許是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下基礎(chǔ)科學(xué)研究面臨的普遍問(wèn)題?？茖W(xué)不是存在于真空之中，它總要受到各種社會(huì)利益需求的制約。科學(xué)哲學(xué)家基徹爾提出“良序科學(xué)”（Well-order Science）的概念，認(rèn)為現(xiàn)實(shí)的科學(xué)決策是追求客觀真理的理想和公私利益的需求之間的合理統(tǒng)一。（摘自Philip Kitcher： Science， Truth and Democracy）但是，對(duì)純科學(xué)（基礎(chǔ)科學(xué)）來(lái)說(shuō)，放在第一位的永遠(yuǎn)是對(duì)真理的追求。引力波探測(cè)的過(guò)程正凸顯了科學(xué)作為追求真理的事業(yè)這一本性。愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“人們對(duì)于他們直接需要范圍以外的東西，一般是看不到的。對(duì)于直接生產(chǎn)物質(zhì)財(cái)富的工作，他們才愿意付出代價(jià)。但是科學(xué)，如果要繁榮，就不應(yīng)當(dāng)有實(shí)用的目的。作為一個(gè)普遍的規(guī)律，科學(xué)所創(chuàng)造的知識(shí)和方法只是間接地有助于實(shí)用的目的，而且在很多情況下，還要等幾代以后才見(jiàn)效?！保ㄕ浴稅?ài)因斯坦文集》）當(dāng)前，基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)成為制約中國(guó)科技進(jìn)步的最大瓶頸，也許引力波探測(cè)的成功帶給我們深層啟示，正是在于如何堅(jiān)持科學(xué)的理性和科學(xué)的理想。

（作者為哈爾濱師范大學(xué)教授）

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