陳仁政

當(dāng)?shù)貢r間2017年10月3日11時50分，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，2017年諾貝爾物理學(xué)獎授予“為創(chuàng)建激光干涉引力波天文臺（LIGO）和發(fā)現(xiàn)引力波做出貢獻(xiàn)”的3位美國科學(xué)家：雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩。

引力波緣何而起？探索中有何曲折？三人各自做出了怎樣的貢獻(xiàn)？發(fā)現(xiàn)引力波有何重大意義？這一系列的問題，將在以下回答。

“吹皺一池春水”

——緣起愛因斯坦的引力波

1916年3月20日，愛因斯坦完成總結(jié)性論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》，以單行本在《物理年鑒》上正式發(fā)表，其中提出了引力波的概念，并預(yù)言存在引力波。

什么是引力波呢？

在愛因斯坦看來，宇宙的時空是四維的彎曲時空：空間（三維）加上不可或缺的時間（一維）的一個整體。假設(shè)水是愛因斯坦時空的話，那么因?yàn)樗艿健案蓴_”（例如風(fēng)吹、石頭丟進(jìn)水中或魚冒出水面）出現(xiàn)的漣漪——水波就是引力波！引力波的本質(zhì)是“時空的漣漪”通過波的形式從輻射源向外傳播并傳遞能量，形成引力場。所以，引力波是時空的波動——千萬不要認(rèn)為它是“引力引起的波”！與通常的水波、聲波、光波不同的是，引力波在宇宙真空中以光速傳播（這一點(diǎn)與光波相同），不會受到任何阻擋；物質(zhì)對它的吸收效率極低。在基于絕對時空觀而假設(shè)“物質(zhì)相互作用的傳播速度無限大”的牛頓力學(xué)中，不可能存在引力波。

引力波源于“時空異動”——相當(dāng)于上述水受到“干擾”。天體被黑洞吞沒、天體合并、天體的加速運(yùn)動、新天體的誕生等，都是“時空異動”的例子。

但是，愛因斯坦在提出引力波之后20年，卻認(rèn)為引力波并不存在，還為此專門寫了論文。為什么他要打“退堂鼓”呢？在這20年間，他的廣義相對論中的許多預(yù)言都被證實(shí)了?。?/p>

原來，引力波實(shí)在太難探測到了！太難探測的第一個主要原因是它極其微弱。例如，地球圍繞太陽以大約30千米/秒的平均速度運(yùn)行，發(fā)出的引力波功率僅約200瓦（小于一般家用電飯煲的功率）。功率的微弱，就導(dǎo)致振幅微小。振幅微小到探測精度要達(dá)到10-21米，即要能夠在1000米的距離上感知10-18米（相當(dāng)于質(zhì)子直徑的大約千分之一）的變化！第二個主要原因是，物質(zhì)對它的吸收效率極低，難以被探測儀器感知。所以，在這20年間，沒有科學(xué)家探測到引力波；更糟糕的是，根本沒有人提出或找到探測的方法，更說不上制造探測設(shè)備。在這個背景之下，“膽大包天”的愛因斯坦也只好“心細(xì)如發(fā)”地“知難而退”了。

愛因斯坦的“退堂鼓”從另一個角度表明，相對論實(shí)在太過于龐大和超前了，以致他本人都“沒有了自信”。愛因斯坦一生犯下的大大小小錯誤共有20多個，這個“退堂鼓”就是其中之一。

從“隔岸觀‘波”到“眼見為實(shí)”

——探測引力波的曲折歷程

然而，愛因斯坦的“退堂鼓”并沒有阻擋探索者們執(zhí)著的腳步——為了探測到引力波，科學(xué)家們絞盡腦汁、挖空心思，百折不回、萬難不屈。

首先是間接證明引力波的存在。顯然，宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞與合并等事件，才可以形成便于探測的強(qiáng)大引力波。但是，能產(chǎn)生這種較強(qiáng)引力波的波源距離地球都十分遙遠(yuǎn)，傳播到地球時就變得非常微弱。所以，即使是間接探測也并非易事。不過，在1974年，美國天體物理學(xué)家小約瑟夫·泰勒與他的學(xué)生赫爾斯，對一顆編號為PSR B1913+16的雙星系統(tǒng)（由一顆脈沖星及其伴星組成，兩者都是中子星）的軌道進(jìn)行長時間觀測之后，發(fā)現(xiàn)它會以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長軸每年減少3.5米，預(yù)計(jì)大約經(jīng)過3億年后發(fā)生合并。這些觀測值與根據(jù)廣義相對論中引力波預(yù)言的數(shù)值符合得非常好。這就間接證明了引力波的存在，他倆也因此分享1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

然而，這種“隔岸觀‘波”式的間接證明不能讓科學(xué)家滿意，他們要獨(dú)辟“眼見為實(shí)”或“親耳聆聽”的蹊徑。

“眼見為實(shí)”的蹊徑就是直接探測到引力波。20世紀(jì)60年代，美國馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家韋伯首先開發(fā)出了一種共振型引力波探測器。它由多層鋁筒構(gòu)成，外層直徑1米、長2米，質(zhì)量約1噸，用細(xì)絲懸掛起來。當(dāng)引力波經(jīng)過圓柱時，圓柱會發(fā)生共振，進(jìn)而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測到。他曾經(jīng)在相距1000千米的兩個地方同時放置了多臺相同的探測器，但只有兩臺同時檢測到的相同信號才被記錄下來。韋伯聲稱，他于1968年12月30日到次年3月21日的81天觀測中，收到了兩次引力波信號，立刻引起了科學(xué)界的轟動。但是，后來的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無所獲，他的結(jié)果沒有被學(xué)術(shù)界接受。

韋伯的觀測雖然無果而終，但卻開辟了一條直接探測引力波的道路。怪不得在美國國家科學(xué)基金會（NSF）宣布直接探測到引力波時，索恩高度評價他為“這一領(lǐng)域真正的父輩先驅(qū)”。此時，正值韋伯初次用實(shí)驗(yàn)直接探測引力波50周年。

時間流逝到20世紀(jì)70年代時，韋斯和索恩都意識到并共同探討過用激光干涉方法探測引力波的可能性，但直到90年代，這種探測所需的高靈敏度的技術(shù)條件才逐漸趨于成熟。1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在NSF的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)LIGO。酷似圓規(guī)的LIGO的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂，臂長都是4000米。在兩臂交會處，從激光的光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩個空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點(diǎn)，并在那里發(fā)生干涉。如果有引力波通過，就會引起時空變形：一臂光束的長度將略為變長，而另一臂的長度則略為縮短，這樣就會造成光程差的變化，并因此使激光干涉條紋發(fā)生相應(yīng)的變化。兩臺孿生引力波探測器，分別放在華盛頓州的漢福德市和相距約為3003千米之遙的路易斯安那州利文斯頓市。只有當(dāng)這兩個探測器同時檢測到相同的信號，才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年開始運(yùn)行。兩次重大升級改造之后的“先進(jìn)LIGO”，靈敏度提高了10倍。

2016年2月11日當(dāng)?shù)貢r間10時30分（北京時間23時30分），NSF召集來自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家在華盛頓特區(qū)國家媒體中心，由LIGO發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家岡薩雷斯宣布：位于德國漢諾威馬普學(xué)會引力物理研究所的LIGO在2015年9月14日17時50分45秒（北京時間），首次直接探測到了引力波信號（代號GW 150914）！GW 150914來自13億光年之遙的質(zhì)量分別為36M⊙（M⊙指“太陽質(zhì)量”，1M⊙=1個太陽的總質(zhì)量≈1.989×1030千克）和29M⊙的兩個黑洞合并末期發(fā)出的引力波；兩者在不到1秒的時間內(nèi)合并后，成為質(zhì)量為62 M⊙的一個黑洞（質(zhì)量“損失”了3 M⊙），在合并的最后20毫秒里以強(qiáng)大的引力波形式把能量（其峰值能量約3.6×1049瓦，比整個可見宇宙釋放出的能量高出約50倍）釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的日夜兼程抵達(dá)地球。這一引力波信號的初始頻率為35赫茲，緊接著迅速提高到了250赫茲，最后變得無序而消失，整個過程僅持續(xù)了約0.25秒。美國的LIGO也探測到了GW 150914：位于利文斯頓市的探測器比位于漢福德市的探測器早探測到7毫秒，這個時間差表明引力波從南部天區(qū)傳來。這也是人類首次直接“看”到雙黑洞并合。同年12月26日，LIGO又再次直接探測到另一個引力波信號（代號GW 151226）。

正是：“眾里尋‘波千百度，那‘波卻在燈火闌珊處?！?/p>

從“八仙過海”到“千軍萬馬”

——三位得獎?wù)叩呢暙I(xiàn)

韋斯出生在德國柏林，是一位對引力物理學(xué)和天體物理學(xué)做出過重要貢獻(xiàn)的美國物理學(xué)家、麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授、激光干涉引力波探測器（LIGO的核心設(shè)備）的主要發(fā)明者，也是LIGO的最早提出者。索恩出生在美國猶他州的洛根，也是一位對引力物理學(xué)和天體物理學(xué)做出過重要貢獻(xiàn)的美國理論物理學(xué)家、加州理工學(xué)院教授。如前所述，他倆率先討論了用激光干涉方法探測引力波的可能性。于是，他倆就成了LIGO的聯(lián)合創(chuàng)始人。不過，LIGO的聯(lián)合創(chuàng)始人是三位。那么，第三位是誰呢？

第三位是德雷弗——一位出生在英國的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、加州理工學(xué)院教授。那德雷弗為什么在2017年的諾貝爾物理學(xué)獎中“名落孫山”呢？原來，他于2017年3月7日就在蘇格蘭首府愛丁堡辭世了——從1974年開始，諾貝爾獎原則上在生前提名，不頒發(fā)給逝者（從1974年迄今唯一的例外是：2011年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的三位得主之一的斯坦曼——1943年出生在加拿大的生物學(xué)家，他在諾貝爾獎評委會確定他獲獎之后、在當(dāng)?shù)貢r間2011年10月3日宣布獲獎之前3天的9月30日辭世）。

德雷弗的“早逝”（其實(shí)活了85周歲），是諾貝爾獎歷史上罕見的一場“悲喜劇”。原來，在前述NSF宣布成功直接探測到引力波之時，當(dāng)年諾貝爾獎的提名已經(jīng)截止了10天。然而，就是這區(qū)區(qū)10天，就釀成了他不可能被授獎的“悲劇”！正是：“出師‘已捷身先死，長使英雄淚滿襟?！彼业氖?，當(dāng)時已深受癡呆癥之困的他，仍能理解引力波探測成功這一消息，并為之開心不已。不過，他的“悲劇”倒是諾貝爾獎評委會的“喜劇”——某一項(xiàng)諾貝爾獎在某一年最多只能頒發(fā)給三人。如果他還活著，評委會就會面臨在LIGO的“三巨頭”與巴里什這四人之中“四選三”的尷尬。隨著他的辭世，這道“四選三難題”也迎刃而解。

諾貝爾獎評委會的“喜劇”還有另一層意思。如果沒有上述“截止了10天”，而是在2016年就給這項(xiàng)成果匆忙頒獎，就有“成果不實(shí)”的風(fēng)險，因?yàn)闅v史對聲稱“發(fā)現(xiàn)”引力波的研究者并不“仁慈”。事實(shí)之一是，就在2015年初，一支國際團(tuán)隊(duì)不得不撤回了南極一架望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)引力波間接信號的聲明。在諾貝爾獎歷史上，這種風(fēng)險并不鮮見。例如，瑞士生理學(xué)家赫斯和葡萄牙精神病學(xué)家莫尼茲因“發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)切斷術(shù)對某些精神疾病的治療價值”，共享1949年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。然而，他倆的這種治療方法，卻讓許多病人受害，1960年被普遍廢棄。探測到引力波的成果“推遲”了一年頒獎，給了反復(fù)驗(yàn)證這項(xiàng)成果的時間，減小了“成果不實(shí)”的風(fēng)險。事實(shí)上，在前述兩次直接探測到之后，LIGO 又兩次直接探測到：2017年1月4日（引力波代號GW 170104）與8月14日（引力波代號GW 170814）；其中后面的那一次，就是在2017年3月7日德雷弗辭世之后。

多次探測是必須的——可重復(fù)性是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必要條件。上述四次中的最后那一次來自兩個不同的團(tuán)隊(duì)（這比前三次都是LIGO一個團(tuán)隊(duì)的探測更有價值）：前述有兩臺孿生引力波探測器的漢福德市和利文斯頓市的LIGO，有一臺引力波探測器的歐洲“處女座”天文臺（即位于意大利的Virgo引力波天文臺，LIGO的合作機(jī)構(gòu)）。這次探測到的GW 170814，由18億光年外的兩顆黑洞產(chǎn)生。它倆的初始質(zhì)量分別大約是30.5M⊙和25.3 M⊙，兩者合并成了一顆質(zhì)量為53.2M⊙的黑洞，質(zhì)量“虧損”了2.6M⊙。位于利文斯頓市的探測器比位于漢福德市和“處女座”的探測器分別早探測到6毫秒與12毫秒。

那么，并不是LIGO創(chuàng)始人的巴里什又憑什么得獎呢？巴里什出生在美國內(nèi)布拉斯加州奧馬哈市，是一個實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、加州理工學(xué)院教授。雖然他不是LIGO的創(chuàng)始人，但他是在LIGO進(jìn)程中力挽狂瀾的不可或缺的領(lǐng)導(dǎo)者。原來，從1994年開始，巴里什擔(dān)任了LIGO的領(lǐng)導(dǎo)人。1992年，德雷弗因?yàn)榕cNSF指派并得到美國國會信任的LIGO負(fù)責(zé)人、曾任加州理工學(xué)院教務(wù)長的沃格特不睦被“掃地出門”之后，LIGO成了一潭死水。巴里什臨危受命，用務(wù)實(shí)而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾砟芰幦〉搅私?jīng)費(fèi)，建立了成熟的科研體系，并把起初僅40人的研究小組發(fā)展成了有上千人參與的大型國際合作項(xiàng)目——“LIGO科學(xué)大聯(lián)盟”，從而得到了來自世界各國不計(jì)其數(shù)的專業(yè)技術(shù)支持……

由此可見，為直接發(fā)現(xiàn)引力波做出貢獻(xiàn)的，遠(yuǎn)不止2017年的諾貝爾物理學(xué)獎得主。包括中國科學(xué)家（其成果是：成功獲得“引力場以光速傳播”的第一個觀測證據(jù)）在內(nèi)的近20個國家的1000多位科學(xué)家，都直接參加了這一科研項(xiàng)目。這一成功，體現(xiàn)了從“八仙過?！卑l(fā)展到“千軍萬馬”的國際合作“大科學(xué)模式”的重要性。

“最后一塊拼圖”——發(fā)現(xiàn)引力波的重大意義

超越了科學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)意義

上述國際合作的“大科學(xué)模式”，與“合作共贏”“互惠互利”“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”等觀念一脈相承。

科學(xué)哲學(xué)意義，包括以下兩方面

第一方面，理性主義方法的勝利。科學(xué)成果有兩大來源：經(jīng)驗(yàn)、觀察、實(shí)驗(yàn)等“眼見為實(shí)”，結(jié)合邏輯推理之后的概括（例如用公式）；理性思考、縝密分析，結(jié)合邏輯演繹（特別是借助于數(shù)學(xué)工具）的“腦中談兵”?！耙菦]有狹義相對論，總有一天也會有別人來發(fā)現(xiàn)它；但是我認(rèn)為，廣義相對論的情況不是這樣。”愛因斯坦說，“沒有從經(jīng)驗(yàn)建立理論的道路?！北緛?，引力波是一個無時無刻的客觀存在，但我們卻“視而不見”或“充耳不聞”，是愛因斯坦根據(jù)理性思考得到引力場方程，并“紙上談兵”式地把它推導(dǎo)出來，然后去覓跡尋蹤，且最后如愿。這是一個不同凡響的過程！之所以“不同凡響”，有與以下兩個發(fā)現(xiàn)作為對比的理由。第一個，海王星的發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)天王星實(shí)際位置與計(jì)算出來的位置有偏差之后，再計(jì)算出尚未發(fā)現(xiàn)的海王星位置并預(yù)言它的存在，最后通過觀察發(fā)現(xiàn)。第二個，鎵的發(fā)現(xiàn)：預(yù)言存在當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的新鎵——用元素周期表首次預(yù)言后被發(fā)現(xiàn)的新元素?？梢钥闯?，引力波的“過程”與海王星的“過程”相比，前者沒有事實(shí)依據(jù)，后者有事實(shí)依據(jù)；引力波的“過程”與鎵的“過程”相比，前者沒有物理學(xué)或天文學(xué)的理論依據(jù)，后者有化學(xué)的理論依據(jù)。由此可見，引力波的“過程”不但在科學(xué)哲學(xué)史上再一次表明，科學(xué)需要理性主義方法，而且表明科學(xué)成果的兩大來源不可偏廢。這正如美國天體物理學(xué)家哈特在《歷史上最有影響的100人》一書中所說：“（相對論）并不是以細(xì)致的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而是以對稱和精巧的數(shù)學(xué)為依據(jù)。”所以，“與任何其他可以相提并論的重大學(xué)說相比，相對論在更大程度上來看，主要是一位舉世無雙的杰出天才創(chuàng)作的成果”。

第二方面，“世界上沒有不可認(rèn)識之物，只有尚未被認(rèn)識之物”。引力波在歷經(jīng)1個世紀(jì)的“水千條山萬座”之后被證實(shí)再一次表明，唯物主義的這一觀點(diǎn)依然顛撲不破并激勵人類對未知世界一往無前的探索?！拔覀儽仨氈?，我們必將知道。”（德國數(shù)學(xué)家希爾伯特語，被刻在他在哥廷根的墓碑的下方）

引力波完成了廣義相對論的“最后一塊拼圖”之后，更有可能被確立為正確的理論

愛因斯坦在廣義相對論中有許多關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的預(yù)言，其中涉及“引力”（并非通常所說的物理力）一詞的預(yù)言主要有四項(xiàng)：引力會引起時空彎曲（光線偏移與時空彎曲是兩個事物各自表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，但由同一個原因——引力場引起）、時空彎曲導(dǎo)致存在“引力透鏡”、引力會引起光譜線紅移、存在引力波與因此存在的引力場。截至2015年，除了引力波，其他所有關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的預(yù)言都被一一驗(yàn)證，或者得到了愈來愈多的應(yīng)用。1919年的日食觀測（其后還有多次日食以外形式的觀測）驗(yàn)證了引力會引起時空彎曲的“大轟動”。于是，沒能直接觀測到引力波成了物理學(xué)家們的“心病”?，F(xiàn)在，當(dāng)引力波完成了廣義相對論的“最后一塊拼圖”之后，物理學(xué)家們的“心病”也好了，所以這又一次的“大轟動”讓科學(xué)界激動不已。“‘男兒有淚不輕彈，當(dāng)時心中忽然暖流涌動，但還是強(qiáng)忍住沒哭。”一位物理學(xué)家在參加了前述NSF那次發(fā)布會之后，如此形容自己的心情，“那是一種強(qiáng)烈的感動，感動到想哭的感覺……”這樣，雖然那些有限多個實(shí)驗(yàn)不能證明當(dāng)今大多數(shù)科學(xué)家相信是正確理論的相對論，但是直接觀測到引力波卻在確立相對論的歷史上寫下了“里程碑”式的一頁?！斑@是科學(xué)史上重要的一刻。”（英國天體物理學(xué)家霍金）我們相信，雖然質(zhì)疑相對論的聲音從來沒有停止過，但是相對論的確立只是時間問題。涉及相對論的三次諾貝爾物理學(xué)獎，也能為這種觀點(diǎn)“加油打氣”：1921年（于1922年去日本途中的11月9日在上海霞飛路短暫停留時被告知補(bǔ)發(fā)）愛因斯坦獨(dú)享諾貝爾物理學(xué)獎時，該獎評委會還“羞羞答答”（專門寫信給愛因斯坦，說他獲獎的原因不是基于相對論，而是“對理論物理學(xué)的研究，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的定律”）；到了1993年，就如前述“大大方方”為支持相對論的引力波（僅僅是間接觀測到）頒獎了；到了2017年，更是“迫不及待”（發(fā)布會后僅僅過了1年多，而一般為某個項(xiàng)目頒獎要經(jīng)過長時間的等待）為支持相對論的引力波頒獎了！

相對論真的能被確立嗎？我們拭目以待！

諾貝爾獎歷史上的意義——“科學(xué)經(jīng)理人”首次得獎

現(xiàn)代科學(xué)愈來愈呈現(xiàn)出的通力合作、協(xié)調(diào)配合以及資金、物質(zhì)支撐不可或缺等趨勢，表明了“管理者”的重要性和地位。前述“科學(xué)經(jīng)理人”巴里什的得獎，彰顯了諾貝爾獎評委會評獎的觀念在進(jìn)步。1979年諾貝爾物理學(xué)獎的三位得主之一的美國理論物理學(xué)家格拉肖就曾致信諾貝爾獎評委會：“沒有他（巴里什）就沒有發(fā)現(xiàn)。如果他不分享獎項(xiàng)，就太不公平了?！?/p>

當(dāng)然，以上僅僅是這項(xiàng)成果的重大意義的“蜻蜓點(diǎn)水”——不同領(lǐng)域的科學(xué)家都可以給出更多的意義。例如，物理學(xué)家們認(rèn)為，它有助于證明其他版本的引力理論正確與否，還將推動引力量子化的研究，最終把引力融入其他3種基本相互作用之中，完成愛因斯坦以失敗告終的偉大夢想——創(chuàng)立“大統(tǒng)一場論”。再如，天體物理學(xué)家們和天文學(xué)家們認(rèn)為，它為人類探索宇宙提供了全新的觀察方法，有助于研究黑洞等遙遠(yuǎn)的神秘天體，進(jìn)一步探索“宇宙大爆炸”最初的瞬間之謎與這一理論是否正確，幫助揭開宇宙誕生之謎，甚至?xí)缁艚鹚f：“引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。（人類）探測到引力波的這種能力，很有可能引發(fā)天文學(xué)革命。”這種天文學(xué)革命是否會到來？我們不知道，但參與LIGO的美國賓夕法尼亞州立大學(xué)科學(xué)家漢娜說：“可以預(yù)期的是，100年后我們的后輩所知道的將與我們所知道的有天壤之別。”由此可見，引力波的探索不是“四月芳菲盡”，而是“桃花始盛開”——揭秘它的萬里征程才“剛剛開始”！

引力波被證實(shí)了，“愛因斯坦終于可以瞑目了”！他告訴我們，“‘它從哪里來”；我們還應(yīng)該知道也必將知道，“‘它到哪里去”……