厚宇德

摘要1916年“引力波”一詞出現(xiàn)在愛(ài)因斯坦的文章中，2016年2月科學(xué)家公布了直接探測(cè)引力波的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一消息令世界轟動(dòng)，這一刻仿佛科學(xué)僅僅意味著相對(duì)論，愛(ài)因斯坦就是科學(xué)之神，他的影響力再次君臨世界。如果說(shuō)科學(xué)事業(yè)也是浪漫的，那么它的浪漫如春燕銜泥筑巢一般，建立在科學(xué)家仔細(xì)、認(rèn)真又大膽的一步步艱難的研究工作之上。引力波這一足夠?qū)ｉT(mén)的研究也是如此。其理論探索一直論爭(zhēng)紛擾，但也穩(wěn)步前進(jìn)；其實(shí)驗(yàn)研究除了耗資巨大，需要地利、人和外，還要依賴適當(dāng)?shù)奶鞕C(jī)?？茖W(xué)家的不懈努力終于由間接驗(yàn)證到直接探測(cè)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)圓滿新階段。大眾需要了解和知道的是，引力波與電磁波不同，它至少目前看來(lái)不會(huì)直接影響人們的衣食住行。引力波的發(fā)現(xiàn)所具有的更多是科學(xué)理論層面上的價(jià)值與意義。

關(guān)鍵詞愛(ài)因斯坦 廣義相對(duì)論 引力波 黑洞

2016年2月11日，北京時(shí)間23：30分，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LIGO科學(xué)聯(lián)盟以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，聯(lián)合向全世界宣布：已經(jīng)直接探測(cè)到引力波。所謂“LIG0”就是激光干涉引力波觀察站的簡(jiǎn)稱（Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory）。他們的相關(guān)研究論文，以《從雙黑洞合并過(guò)程觀測(cè)引力波》（0bservation 0f Gravitaition Waves from a Binary Black Hole Merger）為題，在《物理評(píng)論通訊》（Physical Review Letters）上發(fā)表。論文作者包括清華大學(xué)LSC引力波研究團(tuán)隊(duì)。顧名思義，這一研究觀測(cè)到了在雙黑洞合并這一特殊過(guò)程中產(chǎn)生的引力波。2016年距愛(ài)因斯坦1916年第一次明確提出“引力波”，剛巧100年，恰好一個(gè)世紀(jì)！

在接下來(lái)的幾天里，科學(xué)家直接觀測(cè)到引力波的消息成為中外各種媒體的熱門(mén)話題。事實(shí)上，2月10日媒體對(duì)于科學(xué)家“進(jìn)展報(bào)告”的內(nèi)容已開(kāi)始進(jìn)行猜測(cè)，路透社等大媒體更是提前予以報(bào)道。法新社2月11日?qǐng)?bào)道稱，今天將公布引力波搜尋活動(dòng)的進(jìn)展，整個(gè)物理學(xué)界都為此而激動(dòng)不已。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)文章被微信、微博廣泛轉(zhuǎn)載。事實(shí)上，激動(dòng)不已的不限于物理界，懂科學(xué)的、不懂科學(xué)的都被這個(gè)消息所吸引，這個(gè)世界仿佛瞬間變成了一個(gè)由科學(xué)所主導(dǎo)的世界。有些人還賦予引力波以詩(shī)意。有一位文科專業(yè)的年輕女同事發(fā)微博說(shuō)：“有關(guān)引力波又名時(shí)空漣漪的最美解釋：引力波的發(fā)現(xiàn)，意味著永恒是可能的。用文科生的話說(shuō)，引力波就像愛(ài)情，是超越一切時(shí)空的能量。它是今年宇宙送給人類的情人節(jié)禮物?！边@位同事顯然不知道一個(gè)殘酷的毫不浪漫的事實(shí)：如果你的愛(ài)情就像你的引力波，那將很糟。因?yàn)榭磕阕约旱倪\(yùn)動(dòng)來(lái)改變自身的物質(zhì)狀態(tài)所激發(fā)的引力波，與零極其接近，是根本無(wú)法感受到的。

一愛(ài)因斯坦研究引力波的幾篇重要文章

1916年6月29日，愛(ài)因斯坦在德國(guó)《皇家普魯士科學(xué)院學(xué)報(bào)》發(fā)表了一篇名為《引力場(chǎng)方程的近似積分》的論文（[1]，p.688）。文章的第三節(jié)專門(mén)研究“平面引力波”，第四節(jié)討論“物質(zhì)系統(tǒng)由于放出引力波的能量損失”。在特定的坐標(biāo)系，愛(ài)因斯坦得到關(guān)于引力波的一個(gè)結(jié)論：“對(duì)于一切可以想到的情況，A是一個(gè)實(shí)際上趨于零的小值?！保╗2]，頁(yè)286）其中的A是系統(tǒng)單位時(shí)間輻射的能量。但是這不意味著引力波不存在：“有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法可說(shuō)明為什么不傳遞能量的引力波能夠存在。原因是這些波不是‘真正的波，而是‘表現(xiàn)的波。這是由于我們采用了一種參考系，其坐標(biāo)原點(diǎn)受到了波樣的顫抖?！保╗2]，頁(yè)286）接著，愛(ài)因斯坦在文章中通過(guò)坐標(biāo)系變換，證明場(chǎng)方程的某些解意味著可以傳播能量。因此有的報(bào)道基于愛(ài)因斯坦文章的片言只語(yǔ)，稱愛(ài)因斯坦早期認(rèn)為引力波微弱近乎零，因而難以測(cè)量，進(jìn)而引力波可能不存在的說(shuō)法是不準(zhǔn)確的。

在1918年1月31日發(fā)表的《論引力波》一文（[3]，頁(yè)367-383）中，有“用推遲勢(shì)解引力場(chǎng)近似方程”、“引力場(chǎng)的能量分量”、“平面引力波”、“由力學(xué)體系發(fā)射的引力波”以及“引力波對(duì)力學(xué)體系的作用”等節(jié)。文章已經(jīng)得出“一個(gè)經(jīng)常保持球?qū)ΨQ的力學(xué)體系不可能輻射”引力波等結(jié)論（[3]，頁(yè)379）。一般星體的自旋運(yùn)動(dòng)可以看做對(duì)稱球的回旋，愛(ài)因斯坦的這一結(jié)論意味著，一般星體的自旋運(yùn)動(dòng)不輻射引力能。

1937年1月美國(guó)《富蘭克林研究所學(xué)報(bào)》刊登了愛(ài)因斯坦和N.Rosen合寫(xiě)的論文《論引力波》（[3]，頁(yè)436-448）。該文有兩大部分：第一部分是“平面波問(wèn)題的近似解和引力波的產(chǎn)生”；第二部分是“柱面波的嚴(yán)格解”。正如該文提要所說(shuō)：“在碰到一些使人懷疑波動(dòng)引力場(chǎng)的嚴(yán)格解是否存在的有些實(shí)例之后，我們嚴(yán)格考察了柱面引力波這一情況。結(jié)果表明，嚴(yán)格解是存在的，而問(wèn)題就歸結(jié)為歐幾里得空間中通常的柱面波?！边@是引力波的第一個(gè)嚴(yán)格解。雖然對(duì)引力波的研究當(dāng)時(shí)仍有困惑、有疑問(wèn)，但這篇文章標(biāo)志著引力波理論研究達(dá)到了接近成熟的階段。引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的自然推論，與愛(ài)因斯坦對(duì)于廣義相對(duì)論其他方面以及量子力學(xué)的關(guān)注不同，他本人直接研究引力波的著述不多，但他仍是這一領(lǐng)域理論研究的重要推動(dòng)者、無(wú)可替代的貢獻(xiàn)者。

引力波的理論問(wèn)題直到20世紀(jì)50年代后期，因美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼、英國(guó)著名數(shù)學(xué)家、宇宙學(xué)家邦迪等人的討論、研究與宣傳，才最終打消學(xué)界的疑慮。尤其是費(fèi)曼提出、邦迪宣傳的“粘性水珠討論”（sticky bead argument），產(chǎn)生了廣泛影響。與愛(ài)因斯坦合作過(guò)的N.Rosen并不相信存在引力波。為此，1957年費(fèi)曼提出一個(gè)簡(jiǎn)單的想象實(shí)驗(yàn)以證實(shí)引力波的真實(shí)存在：如果引力波中有一根粗糙的棍子，適當(dāng)調(diào)整棍子相對(duì)引力波傳播方向的夾角，在合適的位置附在棍子表面的水珠會(huì)前后移動(dòng)。水珠在棍子粗糙表面移動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩擦生熱，而溫度升高說(shuō)明引力波就是熱源，因而必然攜帶能量（[5]，頁(yè)115-116）。所以，引力波并不只是紙上談兵。

二引力波為什么難以觀測(cè)？

從物理機(jī)制上講，引力波的產(chǎn)生不難理解：如同變速運(yùn)動(dòng)的帶電體可以產(chǎn)生電磁波一樣，變速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)可以發(fā)射引力波。如此看來(lái)，與很容易制造電磁波一樣，似乎不難制造并探測(cè)引力波。然而一般情況下所制造的引力波是極其微弱的，事實(shí)上地球附近的引力波都是很微弱。引力波難以測(cè)量的原因主要有兩個(gè)：

其一，電磁波與物質(zhì)相互作用強(qiáng)，因而容易被探測(cè)到；與電磁波不同，引力波與物質(zhì)只存在弱耦合相互作用，這一方面使引力波幾乎在傳播過(guò)程中無(wú)損失，但另一方面也難以被探測(cè)到。在粒子物理學(xué)史上，中微子是最難以探測(cè)的粒子，原因就是它具有其他粒子不具備的強(qiáng)大穿透性。而引力波則是具有絕對(duì)的穿透性，這點(diǎn)是中微子也望塵莫及的。

其二，通常情況下引力波十分微弱?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)例子予以說(shuō)明。如果10米長(zhǎng)的鐵棒兩端放上10千克的質(zhì)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)以鐵棒中心為軸，做周期為0.1秒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算可知，這個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波波長(zhǎng)約為1.5×10米。也就是說(shuō)，波長(zhǎng)與地球的直徑尺度相當(dāng)。為了探測(cè)到引力波，探測(cè)儀至少應(yīng)該距離波源一個(gè)波長(zhǎng)遠(yuǎn)?？梢运愠觯@個(gè)位置該系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度h≈5×10。這是目前根本無(wú)法捕捉的弱波。理論研究認(rèn)識(shí)到，在弱場(chǎng)線性近似條件下，輻射引力場(chǎng)量子化后，可看做有靜止質(zhì)量為0，自旋為2的引力子組成（[7]，頁(yè)132）。引力輻射按多極輻射展開(kāi)時(shí)，最低階為4極輻射，這與電磁輻射不同。后者主要是偶極輻射（[7]，頁(yè)134-135）。

如果對(duì)實(shí)際天體公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引力波有個(gè)量化的較為準(zhǔn)確的了解，對(duì)于正確理解引力波是大有幫助的。質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)做半徑為r的圓周運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檩椛湟Σǘa(chǎn)生的能量變化快慢可由下式求出：

這就是說(shuō)，木星引力波輻射的能量?jī)H與一盞白熾燈泡所能釋放的能量相當(dāng)。木星繞日運(yùn)動(dòng)機(jī)械能為10j。這些能量如果靠引力波輻射出去，需要10年，而太陽(yáng)的理論壽命只有10年。因此偌大的木星繞日公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的引力輻射事實(shí)上是微乎其微的。與木星相似，太陽(yáng)系成員的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)幾乎都不輻射引力波。這一結(jié)論進(jìn)而可以推廣到銀河系很多天體。

三對(duì)引力波的觀測(cè)與重要實(shí)驗(yàn)研究

1959年美國(guó)馬里蘭大學(xué)的J.Weber首次提出引力波探測(cè)方案，10年后他宣布探測(cè)到了來(lái)自銀河系中心的頻率為1660赫茲、強(qiáng)度為0.1erg/（cm2·s）的引力波。他的實(shí)驗(yàn)原理不難理解。設(shè)有一圓柱形天線（見(jiàn)插圖，此圖取自文獻(xiàn)[7]第142頁(yè)），其軸與引力波垂直，入射能譜密度為F（V）（erg·s-1），引力波天線共振吸收能量為：

計(jì)算可知，如果Weber探測(cè)到的這個(gè)引力波是真實(shí)存在的，那么它10年至10年內(nèi)會(huì)輻射掉真?zhèn)€銀河系，而事實(shí)上銀河系已經(jīng)存在10年至10年。其后物理學(xué)家沒(méi)能再重復(fù)Weber的實(shí)驗(yàn)，公認(rèn)他所測(cè)的信號(hào)不是引力波。

1978年J.H.Taylor與R.A.Hulse發(fā)表文章指出，從1974年到1978年他們對(duì)PSRl913+16中子脈沖雙星進(jìn)行了精密觀測(cè)。該研究的核心在于，如果存在引力波輻射，雙星的距離會(huì)縮短，公轉(zhuǎn)周期將變小，具體計(jì)算表明每年減少104S。他們的觀測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算高度吻合，因此間接定量驗(yàn)證了引力波的存在。1993年二人獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。為慎重起見(jiàn)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)公布的獲獎(jiǎng)原因不是證實(shí)引力波的存在，而是表彰他們開(kāi)創(chuàng)了研究引力的新途徑。這一研究當(dāng)時(shí)只公布了觀測(cè)和計(jì)算結(jié)果，但是沒(méi)有公布具體計(jì)算方法和過(guò)程。1980年我國(guó)物理學(xué)家桂元星、趙崢與劉遼采用Landau-Lifshitz表述，取得了較為理想的結(jié)果，計(jì)算出的理論值為觀測(cè)值的1.3倍（[7]，頁(yè)143）。

20世紀(jì)90年代初，由Drever，Thorne和Weiss領(lǐng)導(dǎo)的LIG0項(xiàng)目得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助，在美國(guó)的華盛頓州和路易斯安那州分別建造臂長(zhǎng)四公里的邁克耳遜干涉儀。干涉儀呈現(xiàn)L型垂直排列，兩端各有反射鏡面?？茖W(xué)家認(rèn)為激光在測(cè)量反射臂上來(lái)回反射，如果干涉條紋發(fā)生了變化，就說(shuō)明探測(cè)到了引力波事件。

LIGO探測(cè)器在1999年最初建成，然后花了5年時(shí)間，在2005年到達(dá)了設(shè)計(jì)靈敏度，可以測(cè)量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移變靈敏度達(dá)到10-21。2016年公布的這次探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度很高，達(dá)到5.1西格瑪（超過(guò)5西格瑪信號(hào)定義為比較確定的發(fā)現(xiàn)），黑洞質(zhì)量分別為36和29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，合并后為62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。他們甚至探測(cè)到了并合以后的振鈴信號(hào)，它最終變成了一個(gè)克爾（Kerr）黑洞。

在這個(gè)讓物理學(xué)家50年來(lái)望眼欲穿的、持續(xù)時(shí)間不到一秒鐘的事件中，4對(duì)在真空中相距4公里的40千克的玻璃鏡子的距離，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振動(dòng)了十幾次。這樣微乎其微的振動(dòng)，被打在這些鏡子上的100千瓦的激光讀出，讓人類第一次“近距離地接觸”了黑洞，觀察到了黑洞附近時(shí)間和空間的高度扭曲和脈動(dòng)。現(xiàn)在世界上許多國(guó)家都有研究引力波的專門(mén)研究團(tuán)隊(duì)和大型設(shè)備，引力波新研究成果仍值得期待。

四發(fā)現(xiàn)引力波的意義何在？

電磁波對(duì)于人類社會(huì)的影響是巨大的，今天如果電磁波突然全部消失，人類無(wú)異遭遇一場(chǎng)災(zāi)難。那么引力波的意義何在？

趙崢教授是我國(guó)著名的相對(duì)論研究專家。在6年前的著作中，趙崢教授曾指出：“1990年前后，國(guó)際上就積極籌建并已經(jīng)部分完成激光干涉儀引力波天文LIG0、VIRG0、LISA、TAMA等），有可能使人類第一次直接觀察到引力波，并開(kāi)創(chuàng)引力波天文學(xué)的新紀(jì)元，但到目前為止還沒(méi)有完全成功。”（[8]，頁(yè)118）他預(yù)測(cè)有可能探測(cè)到引力波的第一家就是LIG0。2月11日的發(fā)布會(huì)證明趙崢教授的預(yù)言實(shí)現(xiàn)了。

趙崢教授認(rèn)為，引力波的檢測(cè)至少將對(duì)下述各方面有所貢獻(xiàn)：

1）引力波可以穿透超新星爆炸時(shí)產(chǎn)生的不透光的殼層，人類將首次了解到超新星爆炸過(guò)程中內(nèi)核的變化情況。

2）通過(guò)引力波的研究人類將可能直接確定黑洞的存在，可以測(cè)量黑洞和中子星的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生率及其在宇宙中的分布。

3）可以確定在極高密度下（p≥5×10.14g.cm-3）物質(zhì)的物態(tài)方程。

4）可以研究早期宇宙的狀態(tài)。

趙崢教授指出：“總之，引力波作為不同于電磁波的一個(gè)全新窗口將對(duì)人類認(rèn)識(shí)自然界和宇宙空間產(chǎn)生巨大的影響?！保╗8]，頁(yè)118）還有專業(yè)研究指出，如果引力波不存在，廣義相對(duì)論就要做出相應(yīng)修改。

不難看出，正如趙崢教授和其他研究者所言，引力波的發(fā)現(xiàn)更多的是科學(xué)上的理論價(jià)值與意義。而幾乎不會(huì)對(duì)于人類的日常物質(zhì)生活產(chǎn)生直接影響。那么為什么媒體和大眾對(duì)于引力波的發(fā)現(xiàn)如此好奇、如此關(guān)注呢？這可能有以下幾個(gè)原因：

對(duì)于引力波的詮釋，與宇宙、外太空、黑洞等直接相關(guān)聯(lián)。而這些一直尤其近些年是最吸引人們目光的詞匯。在這一方面，筆者有幾句話要講。時(shí)而見(jiàn)到月球、火星、金星等地的探險(xiǎn)與移民計(jì)劃。閱讀這樣的文字時(shí)，讀者不要忘記一個(gè)最基本的事實(shí)：誠(chéng)然地球上有溫室效應(yīng)，有大范圍沙漠化，有可以摧毀地球多次的核彈，有空氣、水與土壤污染等等。但是即使今天地球上不適合人類居住的角落，對(duì)人而言，作為生存環(huán)境，這些地方還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過(guò)月球、火星等任何今天人類有可能到達(dá)的太空星球。最起碼，這里還有足夠的空氣供你呼吸，而月球上幾乎是真空，其他星球上甚至可能充滿著對(duì)人而言完全是毒氣的氣體。不應(yīng)該反對(duì)人類的探索愿望和進(jìn)取心。但是無(wú)論研究還是科學(xué)傳播首先要做到實(shí)事求是。

這次研究成果的發(fā)布貌似經(jīng)過(guò)了很好的“包裝”，提前透漏出部分信息，時(shí)間點(diǎn)趕在2016年愛(ài)因斯坦提出引力波一百周年，把整個(gè)研究成果與科學(xué)代言人愛(ài)因斯坦牢牢捆綁在一起……筆者不懂傳播學(xué)的原理和技巧，但是一直認(rèn)為，如果做一項(xiàng)研究，看看歷史上愛(ài)因斯坦和玻爾的鼎鼎大名究竟是怎么樹(shù)立起來(lái)的，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論有意或無(wú)意，其中一定有太多的與傳播學(xué)規(guī)律的契合。因?yàn)閺目茖W(xué)貢獻(xiàn)上看，20世紀(jì)并不缺少足以與這二位比肩的科學(xué)大家，但是在“名望”上卻遜色太遠(yuǎn)。這種差距看似源自于個(gè)人性格的不同，但從傳播學(xué)角度去分析其原因也頗為有趣。

與x光發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用相關(guān)的諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C發(fā)了三次，獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e是倫琴、勞厄、布拉格父子；與威爾遜云室有關(guān)的諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C發(fā)了兩次，獲獎(jiǎng)?wù)呤峭栠d和布萊克特；在低溫物理研究方面也頒發(fā)了兩次，獲獎(jiǎng)?wù)呤前耗崴购涂ㄆげ?。引力波研究已?jīng)有了1993年一次諾貝爾物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)經(jīng)歷，2016年公布的成果作為對(duì)于引力波的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)研究，有資格獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。引力波領(lǐng)域的研究也許不會(huì)僅有兩次獲獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)。

最后需要說(shuō)的是，繼對(duì)于引力波研究的報(bào)道，網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于愛(ài)因斯坦青睞宗教的多篇文章開(kāi)始被瘋傳。學(xué)術(shù)地說(shuō)，愛(ài)因斯坦是有宇宙宗教情結(jié)的人。但他多次強(qiáng)調(diào)，他不信仰任何世俗的宗教。也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦的宗教意識(shí)，與世俗膜拜的、干涉世俗生活的宗教與上帝，有本質(zhì)區(qū)別。最近瘋傳的相關(guān)文章都不同程度有對(duì)愛(ài)因斯坦思想的曲解。參考文獻(xiàn)

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