引力波百年研究速寫

厚宇德

摘要1916年“引力波”一詞出現(xiàn)在愛因斯坦的文章中，2016年2月科學(xué)家公布了直接探測引力波的實驗結(jié)果。這一消息令世界轟動，這一刻仿佛科學(xué)僅僅意味著相對論，愛因斯坦就是科學(xué)之神，他的影響力再次君臨世界。如果說科學(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的研究也是如此。其理論探索一直論爭紛擾，但也穩(wěn)步前進(jìn)；其實驗研究除了耗資巨大，需要地利、人和外，還要依賴適當(dāng)?shù)奶鞕C(jī)。科學(xué)家的不懈努力終于由間接驗證到直接探測，達(dá)到了實驗研究的一個圓滿新階段。大眾需要了解和知道的是，引力波與電磁波不同，它至少目前看來不會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)理論層面上的價值與意義。

關(guān)鍵詞愛因斯坦 廣義相對論 引力波 黑洞

2016年2月11日，北京時間23：30分，加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、LIGO科學(xué)聯(lián)盟以及美國國家科學(xué)基金會，聯(lián)合向全世界宣布：已經(jīng)直接探測到引力波。所謂“LIG0”就是激光干涉引力波觀察站的簡稱（Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory）。他們的相關(guān)研究論文，以《從雙黑洞合并過程觀測引力波》（0bservation 0f Gravitaition Waves from a Binary Black Hole Merger）為題，在《物理評論通訊》（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。顧名思義，這一研究觀測到了在雙黑洞合并這一特殊過程中產(chǎn)生的引力波。2016年距愛因斯坦1916年第一次明確提出“引力波”，剛巧100年，恰好一個世紀(jì)！

在接下來的幾天里，科學(xué)家直接觀測到引力波的消息成為中外各種媒體的熱門話題。事實上，2月10日媒體對于科學(xué)家“進(jìn)展報告”的內(nèi)容已開始進(jìn)行猜測，路透社等大媒體更是提前予以報道。法新社2月11日報道稱，今天將公布引力波搜尋活動的進(jìn)展，整個物理學(xué)界都為此而激動不已。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)文章被微信、微博廣泛轉(zhuǎn)載。事實上，激動不已的不限于物理界，懂科學(xué)的、不懂科學(xué)的都被這個消息所吸引，這個世界仿佛瞬間變成了一個由科學(xué)所主導(dǎo)的世界。有些人還賦予引力波以詩意。有一位文科專業(yè)的年輕女同事發(fā)微博說：“有關(guān)引力波又名時空漣漪的最美解釋：引力波的發(fā)現(xiàn)，意味著永恒是可能的。用文科生的話說，引力波就像愛情，是超越一切時空的能量。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殘酷的毫不浪漫的事實：如果你的愛情就像你的引力波，那將很糟。因為靠你自己的運動來改變自身的物質(zhì)狀態(tài)所激發(fā)的引力波，與零極其接近，是根本無法感受到的。

一愛因斯坦研究引力波的幾篇重要文章

1916年6月29日，愛因斯坦在德國《皇家普魯士科學(xué)院學(xué)報》發(fā)表了一篇名為《引力場方程的近似積分》的論文（[1]，p.688）。文章的第三節(jié)專門研究“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，愛因斯坦得到關(guān)于引力波的一個結(jié)論：“對于一切可以想到的情況，A是一個實際上趨于零的小值?！保╗2]，頁286）其中的A是系統(tǒng)單位時間輻射的能量。但是這不意味著引力波不存在：“有一個簡單的方法可說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)原點受到了波樣的顫抖?！保╗2]，頁286）接著，愛因斯坦在文章中通過坐標(biāo)系變換，證明場方程的某些解意味著可以傳播能量。因此有的報道基于愛因斯坦文章的片言只語，稱愛因斯坦早期認(rèn)為引力波微弱近乎零，因而難以測量，進(jìn)而引力波可能不存在的說法是不準(zhǔn)確的。

在1918年1月31日發(fā)表的《論引力波》一文（[3]，頁367-383）中，有“用推遲勢解引力場近似方程”、“引力場的能量分量”、“平面引力波”、“由力學(xué)體系發(fā)射的引力波”以及“引力波對力學(xué)體系的作用”等節(jié)。文章已經(jīng)得出“一個經(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379）。一般星體的自旋運動可以看做對稱球的回旋，愛因斯坦的這一結(jié)論意味著，一般星體的自旋運動不輻射引力能。

1937年1月美國《富蘭克林研究所學(xué)報》刊登了愛因斯坦和N.Rosen合寫的論文《論引力波》（[3]，頁436-448）。該文有兩大部分：第一部分是“平面波問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：“在碰到一些使人懷疑波動引力場的嚴(yán)格解是否存在的有些實例之后，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@是引力波的第一個嚴(yán)格解。雖然對引力波的研究當(dāng)時仍有困惑、有疑問，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。引力波是愛因斯坦廣義相對論的自然推論，與愛因斯坦對于廣義相對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者、無可替代的貢獻(xiàn)者。

引力波的理論問題直到20世紀(jì)50年代后期，因美國物理學(xué)家費曼、英國著名數(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。與愛因斯坦合作過的N.Rosen并不相信存在引力波。為此，1957年費曼提出一個簡單的想象實驗以證實引力波的真實存在：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前后移動。水珠在棍子粗糙表面移動時會導(dǎo)致摩擦生熱，而溫度升高說明引力波就是熱源，因而必然攜帶能量（[5]，頁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？

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

其一，電磁波與物質(zhì)相互作用強(qiáng)，因而容易被探測到；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程中無損失，但另一方面也難以被探測到。在粒子物理學(xué)史上，中微子是最難以探測的粒子，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的穿透性，這點是中微子也望塵莫及的。

其二，通常情況下引力波十分微弱。可以通過一個例子予以說明。如果10米長的鐵棒兩端放上10千克的質(zhì)點，整個系統(tǒng)以鐵棒中心為軸，做周期為0.1秒的旋轉(zhuǎn)運動。計算可知，這個系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波波長約為1.5×10米。也就是說，波長與地球的直徑尺度相當(dāng)。為了探測到引力波，探測儀至少應(yīng)該距離波源一個波長遠(yuǎn)?？梢运愠?，這個位置該系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度h≈5×10。這是目前根本無法捕捉的弱波。理論研究認(rèn)識到，在弱場線性近似條件下，輻射引力場量子化后，可看做有靜止質(zhì)量為0，自旋為2的引力子組成（[7]，頁132）。引力輻射按多極輻射展開時，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134-135）。

如果對實際天體公轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的引力波有個量化的較為準(zhǔn)確的了解，對于正確理解引力波是大有幫助的。質(zhì)量為m的質(zhì)點做半徑為r的圓周運動，因為輻射引力波而產(chǎn)生的能量變化快慢可由下式求出：

這就是說，木星引力波輻射的能量僅與一盞白熾燈泡所能釋放的能量相當(dāng)。木星繞日運動機(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)生的引力輻射事實上是微乎其微的。與木星相似，太陽系成員的自轉(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。

三對引力波的觀測與重要實驗研究

1959年美國馬里蘭大學(xué)的J.Weber首次提出引力波探測方案，10年后他宣布探測到了來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。他的實驗原理不難理解。設(shè)有一圓柱形天線（見插圖，此圖取自文獻(xiàn)[7]第142頁），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：

計算可知，如果Weber探測到的這個引力波是真實存在的，那么它10年至10年內(nèi)會輻射掉真?zhèn)€銀河系，而事實上銀河系已經(jīng)存在10年至10年。其后物理學(xué)家沒能再重復(fù)Weber的實驗，公認(rèn)他所測的信號不是引力波。

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PSRl913+16中子脈沖雙星進(jìn)行了精密觀測。該研究的核心在于，如果存在引力波輻射，雙星的距離會縮短，公轉(zhuǎn)周期將變小，具體計算表明每年減少104S。他們的觀測結(jié)果與理論計算高度吻合，因此間接定量驗證了引力波的存在。1993年二人獲得了諾貝爾物理獎。為慎重起見，諾貝爾獎委員會公布的獲獎原因不是證實引力波的存在，而是表彰他們開創(chuàng)了研究引力的新途徑。這一研究當(dāng)時只公布了觀測和計算結(jié)果，但是沒有公布具體計算方法和過程。1980年我國物理學(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，計算出的理論值為觀測值的1.3倍（[7]，頁143）。

20世紀(jì)90年代初，由Drever，Thorne和Weiss領(lǐng)導(dǎo)的LIG0項目得到了美國國家科學(xué)基金會的資助，在美國的華盛頓州和路易斯安那州分別建造臂長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)為激光在測量反射臂上來回反射，如果干涉條紋發(fā)生了變化，就說明探測到了引力波事件。

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

在這個讓物理學(xué)家50年來望眼欲穿的、持續(xù)時間不到一秒鐘的事件中，4對在真空中相距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了十幾次。這樣微乎其微的振動，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間和空間的高度扭曲和脈動?，F(xiàn)在世界上許多國家都有研究引力波的專門研究團(tuán)隊和大型設(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？

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

趙崢教授是我國著名的相對論研究專家。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，并開創(chuàng)引力波天文學(xué)的新紀(jì)元，但到目前為止還沒有完全成功。”（[8]，頁118）他預(yù)測有可能探測到引力波的第一家就是LIG0。2月11日的發(fā)布會證明趙崢教授的預(yù)言實現(xiàn)了。

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

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

2）通過引力波的研究人類將可能直接確定黑洞的存在，可以測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全新窗口將對人類認(rèn)識自然界和宇宙空間產(chǎn)生巨大的影響。”（[8]，頁118）還有專業(yè)研究指出，如果引力波不存在，廣義相對論就要做出相應(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)上的理論價值與意義。而幾乎不會對于人類的日常物質(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？這可能有以下幾個原因：

對于引力波的詮釋，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。時而見到月球、火星、金星等地的探險與移民計劃。閱讀這樣的文字時，讀者不要忘記一個最基本的事實：誠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，對人而言，作為生存環(huán)境，這些地方還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過月球、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人而言完全是毒氣的氣體。不應(yīng)該反對人類的探索愿望和進(jìn)取心。但是無論研究還是科學(xué)傳播首先要做到實事求是。

這次研究成果的發(fā)布貌似經(jīng)過了很好的“包裝”，提前透漏出部分信息，時間點趕在2016年愛因斯坦提出引力波一百周年，把整個研究成果與科學(xué)代言人愛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，如果做一項研究，看看歷史上愛因斯坦和玻爾的鼎鼎大名究竟是怎么樹立起來的，一定會發(fā)現(xiàn)，無論有意或無意，其中一定有太多的與傳播學(xué)規(guī)律的契合。因為從科學(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)的諾貝爾物理獎頒發(fā)了三次，獲獎?wù)叻謩e是倫琴、勞厄、布拉格父子；與威爾遜云室有關(guān)的諾貝爾物理獎頒發(fā)了兩次，獲獎?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?wù)呤前耗崴购涂ㄆげ椤ＲΣㄑ芯恳呀?jīng)有了1993年一次諾貝爾物理獎獲獎經(jīng)歷，2016年公布的成果作為對于引力波的標(biāo)志性實驗研究，有資格獲得諾貝爾物理獎。引力波領(lǐng)域的研究也許不會僅有兩次獲獎的機(jī)會。

最后需要說的是，繼對于引力波研究的報道，網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于愛因斯坦青睞宗教的多篇文章開始被瘋傳。學(xué)術(shù)地說，愛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，愛因斯坦的宗教意識，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愛因斯坦思想的曲解。參考文獻(xiàn)

[1]Einstein，A.Koniglich Preuflische Akademie der Wissenschaflen[M].Berlin：Sitzungsberichte.1916.

[2]吳忠超主譯.愛因斯坦全集·第六卷[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社.2009.

[3]范岱年等編譯.愛因斯坦文集·第三卷[M].北京：商務(wù)印書館.1977.

[4]Hermann，B.Plane gravitational waves in general relativity[J].Nature.1957.179（4569）：1072-1073.

[5]巴羅.宇宙之書[M].李劍龍譯.北京：人民郵電出版社.2013.

[6]黃玉梅等.引力波理論和實驗的新進(jìn)展[J]天文學(xué)進(jìn)展.2007（1）：65.

[7]劉遼，趙崢.廣義相對論[M].北京：高等教育出版社.2005.

[8]趙崢，劉文彪.廣義相對論基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社。2010.

[9]張揚.宇宙殘余引力波和雙星引力輻射[J].科學(xué)通報.2015（34）：3302.