經(jīng)驗(yàn)在引力波探尋中的表現(xiàn)

呂仕儒

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

經(jīng)驗(yàn)在引力波探尋中的表現(xiàn)

呂仕儒

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

1916年6月，愛因斯坦在研究引力場方程的近視積分時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)力學(xué)體系變化時(shí)必然發(fā)射出以光速傳播的引力波，由此提出了引力波理論。愛因斯坦逝世二十多年后，引力波被間接證明是存在的。2016年2月11日美國加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及“激光干涉引力波天文臺(LIGO)”的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器于2015年9月14日探測到來自于兩個(gè)黑洞合并的引力波信號。引力波作為一個(gè)被理性預(yù)言了的客觀認(rèn)識對象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類的經(jīng)驗(yàn)范圍，然而物理學(xué)發(fā)展的歷程表明，作為認(rèn)識主體的人在科學(xué)研究過程中始終無法擺脫經(jīng)驗(yàn)的影響與制約，文章就經(jīng)驗(yàn)在引力波探尋中的表現(xiàn)進(jìn)行了分析和探討。

愛因斯坦；經(jīng)驗(yàn)；引力波；非邏輯思維

無論是在生活中還是在科學(xué)理論的研究中，有一種不斷被人們使用的方法就是把難以理解的對象與已知的更容易理解的對象進(jìn)行比較。譬如，物理學(xué)當(dāng)中對模型的運(yùn)用就是典型的例子。而模型的運(yùn)用實(shí)際上就是把記憶當(dāng)中的經(jīng)驗(yàn)重新提取出來的過程。因?yàn)闊o論一個(gè)物理學(xué)理論多么復(fù)雜和抽象，最終一定要通過一個(gè)具體的客體作為承載物，只有這樣才能得到別人的認(rèn)可，同時(shí)也使自己心安理得。因?yàn)椤爸挥心切┰瓌t上能被知覺想象出來的東西，才會真正被人們理解?！盵1]394科學(xué)發(fā)展的歷程表明，不論是面對能夠被人類的經(jīng)驗(yàn)直接感知的認(rèn)識對象還是超越經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)識對象，我們都沒有辦法與經(jīng)驗(yàn)完全割裂開，下面看看經(jīng)驗(yàn)在引力波探尋當(dāng)中的表現(xiàn)。

一

波或波動(dòng)作為一種擾動(dòng)或信息在空間上傳播的一種物理現(xiàn)象，人們最早是通過機(jī)械波獲得認(rèn)識的。一提到波我們的腦海立即幻化出水波的圖像，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，它們作為機(jī)械波，其產(chǎn)生的兩個(gè)所必須具備的條件就是波源和波賴以傳播的媒介。正因如此，當(dāng)麥克斯韋通過他的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在并被赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，人們馬上考慮的一個(gè)問題就是電磁波是通過什么介質(zhì)向外傳播的，而不是考慮電磁波需要不需要傳播的介質(zhì)的問題。這就是經(jīng)驗(yàn)使得人們不自覺地從潛意識當(dāng)中把后一個(gè)問題忽略了。因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)使得人們無法想象缺少介質(zhì)的波怎么可以向外傳播的。于是，人們開始尋思究竟哪一種物質(zhì)最適合充當(dāng)其賴以傳播的媒介，結(jié)果尋遍我們經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯痈兄乃械目腕w之后，發(fā)現(xiàn)沒有一個(gè)是合適的。最后只好把這一角色賦予了由古希臘哲學(xué)家亞里士多德（Aristotle,BC384～BC322）想象出來的第五元素“以太”。以太被人們想象成一種十分堅(jiān)硬的剛性的粒子，即使是金剛石這種最硬的物質(zhì)的硬度也無法與其相比；同時(shí)以太又是一種如此稀薄，以致物質(zhì)在穿過它們時(shí)幾乎完全不受到任何阻力的“物質(zhì)”；而且，以太又是絕對靜止的，實(shí)際上在某種情況下人們把以太與牛頓的絕對空間等同起來了。以太這種被人們想象出來的作為電磁波賴以傳播的絕對靜止的介質(zhì)觀念，在當(dāng)時(shí)的絕大多數(shù)的科學(xué)哲學(xué)家們頭腦中是如此地根深蒂固，從而使得一大批物理學(xué)家們企圖通過理論和實(shí)驗(yàn)去尋找和證實(shí)。于是才有了1887年邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，也就是被人們稱之為世紀(jì)之交飄蕩在物理學(xué)天空上的第一朵烏云。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)際上證明了光速不變原理，即真空中光速在任何參考系下具有相同的數(shù)值，與參考系的相對速度無關(guān)，以太其實(shí)并不存在。盡管愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）一直規(guī)避邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果對其光速不變原理的確立所產(chǎn)生的影響，當(dāng)年美國俄亥俄州克利夫蘭開斯工學(xué)院物理學(xué)教授香克蘭（R·S·Shankland）曾就此問愛因斯坦，愛因斯坦說過這樣的話：“這可不是那么容易回答的，我搞不清楚我第一次聽到邁克爾遜實(shí)驗(yàn)是在什么時(shí)候。我并沒有意識到，在相對論成為我的生活的那七年中間，它曾經(jīng)直接影響過我。我以為我正是理所當(dāng)然地認(rèn)為相對論是正確的?！盵2]561但是，愛因斯坦同時(shí)又說，在1905～1909年間，在他同羅倫茨等人討論廣義相對論的想法時(shí)，對邁克爾遜的結(jié)果想得很多?？梢?，完全否認(rèn)邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果對愛因斯坦建立相對論的作用是不符合實(shí)際情況的。

二

引力波與電磁波相類似，也是一種完全超越了人類直接經(jīng)驗(yàn)的客觀認(rèn)識對象，1916～1918年，愛因斯坦將引力場方程在離引力源較遠(yuǎn)的地方作線性化近視處理，得到了一個(gè)波動(dòng)方程，據(jù)此，愛因斯坦預(yù)言可能有引力波從物質(zhì)發(fā)出，且以光速傳播，許多加速運(yùn)動(dòng)的物體都可以發(fā)射引力波。

有人說愛因斯坦求得引力場方程的一個(gè)特解，該解的黎曼曲率張量分量為周期函數(shù)：即黎曼曲率張量分量的周期性變動(dòng)在時(shí)空中的傳播，因而愛因斯坦想到了經(jīng)典物理學(xué)中的波動(dòng)方程，并仿照機(jī)械波的提出方式預(yù)言了引力波的存在。這是有一定道理的?？v觀愛因斯坦的思維方式，我們會發(fā)現(xiàn)愛因斯坦慣用的方法就是，首先對其面對的客觀認(rèn)識對象進(jìn)行整體把握，就是所謂的構(gòu)建一個(gè)“思想實(shí)驗(yàn)”情景，然后才進(jìn)入邏輯推理。而“思想實(shí)驗(yàn)”的建立就是在經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確地說是在視覺化經(jīng)驗(yàn)的提示下完成的，無論是狹義相對論還是廣義相對論都如此。因?yàn)閻垡蛩固拐J(rèn)為：“物理學(xué)家的最高使命是要得到那些普遍的基本規(guī)律，由此世界體系就能用單純的演繹法建立起來。要通向這些定律，并沒有邏輯的道路；只有通過那種以對經(jīng)驗(yàn)的共鳴的理解為依據(jù)的直覺，才能得到這些定律?！盵2]102當(dāng)然，愛因斯坦一直強(qiáng)調(diào)理性在物理學(xué)理論的建立當(dāng)中的重要作用，但是，同時(shí)他也認(rèn)為僅僅依靠理性是不夠的，就像他說的那樣：“要走向理論的建立，當(dāng)然不存在什么邏輯的道路，只能通過構(gòu)造性的嘗試去摸索，而這種嘗試是要受支配于對事實(shí)知識的慎密考查的。”[2]567因?yàn)椤耙侨藗円獜氐椎夭贿`反理性，那就不可能得到任何東西；也就是說：要是不用任何支架，那就不可能建造房子，也不可能架設(shè)橋梁，但是支架卻不是房子或橋梁的任何組成部分?！盵2]572基于廣義相對論愛因斯坦曾經(jīng)作出過三項(xiàng)預(yù)言：光線在太陽引力場中的彎曲、水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)規(guī)律和光譜線在引力場中的紅移現(xiàn)象。這三項(xiàng)預(yù)言都先后得到了證實(shí)。但是，自從通過廣義相對論預(yù)言可能存在引力波以來，雖然人們在地球上建造了許多探測宇宙引力波的實(shí)驗(yàn)裝置，好長一段時(shí)間以來，卻均未捕捉到有關(guān)引力波的可靠信號，因?yàn)橐Σǖ男盘枌?shí)在是太微弱了。但是，從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，人們相信愛因斯坦肯定是正確的，所以，探尋的熱情從來沒有低落過。

1967年，英國天文學(xué)家休伊什(Antony·Hewish,1924-)和他的學(xué)生貝爾（Jocelyn ·Bell·Burnell，1943-）發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)脈沖星（PSR1919+21），具有短周期脈沖輻射的新型恒星。休伊什由于在脈沖星的發(fā)現(xiàn)中起了決定性作用而獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[3]。

1974年，美國新澤西州普林斯頓大學(xué)的赫爾斯（Russell·A·Hulse，1950-）和小約瑟夫泰勒（Joseph H·Taylor·Jr，1941-）用西印度群島波多黎各的300 m射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一種新型脈沖星——脈沖雙星。引起了全世界的轟動(dòng)。他們的發(fā)現(xiàn)之所以重要，不僅是第一個(gè)，最主要的這是一個(gè)軌道橢率很大的雙中子星系統(tǒng)，成為驗(yàn)證廣義相對論預(yù)言的引力波是否存在的空間實(shí)驗(yàn)室。由此赫爾斯和泰勒獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[4]。

2016年2月11日美國加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及“激光干涉引力波天文臺(LIGO)”的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器于2015年9月14日探測到來自于兩個(gè)黑洞合并的引力波信號[5]。

引力波的發(fā)現(xiàn)意味著對宇宙微波背景輻射的測量將會進(jìn)入下一個(gè)重要里程碑，讓宇宙學(xué)家更好地了解大爆炸初期發(fā)生了什么，可以說為宇宙天文學(xué)研究開啟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

三

事實(shí)證明，在物理學(xué)理論的探索和選擇中，物理學(xué)家作為具有視覺、聽覺等感覺器官的認(rèn)識主體，要想擺脫經(jīng)驗(yàn)的影響和左右是非常艱難甚至是不可能的，把認(rèn)識主體熟悉的感覺經(jīng)驗(yàn)帶入所面對的陌生的客觀認(rèn)識對象是物理學(xué)家經(jīng)常使用的研究方法。因?yàn)椤翱茖W(xué)家也同藝術(shù)家一樣，通過創(chuàng)造形象來對他生活的外在世界和人類內(nèi)心世界進(jìn)行解釋。當(dāng)然，創(chuàng)造感性形象并不是一個(gè)科學(xué)家所做的唯一的事情。一個(gè)物理學(xué)家、生物學(xué)家或一個(gè)社會學(xué)家，要花費(fèi)大量精力和時(shí)間來收集材料，檢驗(yàn)它們的有效性，對它們進(jìn)行測量和計(jì)算，以便驗(yàn)證自己的預(yù)言和假設(shè)?！盵1]367同時(shí)，我們?nèi)祟愃\(yùn)用的語言也總是不斷地把視覺化的經(jīng)驗(yàn)帶入物理學(xué)家的潛意識當(dāng)中。所有這一切就使得物理學(xué)家在物理學(xué)理論的探索當(dāng)中不斷地與經(jīng)驗(yàn)發(fā)生著這樣或那樣的聯(lián)系。總覽人類對宇宙模型的認(rèn)識和構(gòu)造，我們會發(fā)現(xiàn)無論是古希臘和中國古代的學(xué)者，還是今天工作在大型的超級計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化的先進(jìn)的探測設(shè)備旁邊的科學(xué)家們，誰都無法擺脫經(jīng)驗(yàn)的影響，盡管經(jīng)驗(yàn)是有局限性的，是可錯(cuò)的。用愛因斯坦的話說“……我們必須接受這樣的觀點(diǎn)，說自然界中的事件是象碰運(yùn)氣的賭博那樣的?！盵2]394這是由人的本性決定的。我們需要思考的是應(yīng)該以怎樣的態(tài)度面對這一切，特別是今天當(dāng)人類面對的客觀認(rèn)識對象離我們的經(jīng)驗(yàn)越來越遠(yuǎn)的情況下，尤其如此。

[1](美)魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ?視覺思維[M].滕守堯,譯.成都：四川人民出版社，1997.

[2](美)愛因斯坦.愛因斯坦文集(第一卷)[M].許良英,李寶恒,趙中立等,譯.北京：商務(wù)印書館,1976.

[3]李麗.時(shí)空向度的現(xiàn)代探索[M].重慶：重慶出版社,2006.

[4]吳鑫基,溫學(xué)詩.諾貝爾獎(jiǎng)百年鑒[M].上海：上海出版社,2001.

[5]徐仁新.首次測到引力波 [J].物理，2016,45（3）：195.

〔責(zé)任編輯 高?！?/p>

Performance of the Experience in the Search for Gravitational Waves

LV Shi-ru
(School of Physics and Electronics Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

Einstein found out that Mechanical systems would inevitably emit gravitational waves propagating at the speed of light when he did the research of Approximate integral equations of the gravitational field in the June of 1916.Then he put forward the theory of gravitational waves.After twenty years later from Einstein dying,Gravitational waves have been proved right.In 11th,Feb of 2016,reseachers in California Institute of Technology,Massachusetts Institute of Technology as well as"LIGO(LIGO)"announced that they detected gravitational wave signal from the merger of two black holes using LIGO detectors.As the object predicting by rational and objective understanding thought,Gravitational waves are far beyond the scope of human experience.However,development history of physics shows that human can never get rid of the influence and restrict of experience who act as subject of Recognizing during doing scientific research.This article discussed performance of experience in the search for gravitational waves.

Einstein;experience;gravitational waves;illogical thinking

TP301

A

1674-0874(2016)03-0094-03

2016-03-10

呂仕儒（1963-），男，山西懷仁人，碩士，副教授，研究方向：科學(xué)技術(shù)史。