愛因斯坦與引力波發(fā)現(xiàn)的科學(xué)逸聞三則

何桂明+黃明超

摘 要：愛因斯坦預(yù)言引力波的存在，一百年后被科學(xué)觀測(cè)證實(shí).論文梳理了與愛因斯坦廣義相對(duì)論和引力波發(fā)現(xiàn)有關(guān)的三則科學(xué)逸聞，強(qiáng)調(diào)塑造真實(shí)可信的科學(xué)歷史，避免學(xué)生產(chǎn)生刻板的科學(xué)家形象.

關(guān)鍵詞：愛因斯坦；引力波；相對(duì)論；科學(xué)家形象

2016年2月11日，中國農(nóng)歷新年期間，遙遠(yuǎn)大洋彼岸的美國，一則科學(xué)新聞引發(fā)國內(nèi)科技界與公眾的高度關(guān)注.美國國家科學(xué)基金委員會(huì)宣布，首次利用高級(jí)激光干涉儀引力波探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)[1].科學(xué)家表示，這是一幅奇妙的宇宙圖景：兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成一顆62倍太陽質(zhì)量且高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的漫長(zhǎng)旅行，最終抵達(dá)地球，被人類靈敏的“耳朵”接收和測(cè)聽.

“忽如一夜春風(fēng)來”，引力波新聞迅速占據(jù)國內(nèi)主流媒體的重要版面，各大新媒體平臺(tái)用文字、視頻、動(dòng)畫等方式，通過微博、微信、論壇等渠道，進(jìn)行引力波的全方位解讀，形成多年來少見的一次科普傳播熱潮.作為非專業(yè)領(lǐng)域的研究人員，普通公眾對(duì)深?yuàn)W莫測(cè)的引力波，其實(shí)是“只聞其名，不明其意”.之所以有如此廣泛的社會(huì)關(guān)注度，很大程度與科學(xué)偉人愛因斯坦有關(guān).盡管已經(jīng)離世61年，愛因斯坦與他標(biāo)志性的相對(duì)論理論，借助引力波的強(qiáng)力推動(dòng)，再次回到公眾的視野中.

1 廣義相對(duì)論的靈感火花閃現(xiàn)

1905年被譽(yù)為“愛因斯坦奇跡年”，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表光量子說、分子大小測(cè)定法、布朗運(yùn)動(dòng)理論、狹義相對(duì)論等重要論文，開啟現(xiàn)代物理學(xué)的新篇章.不過，此后幾年間，愛因斯坦依舊是瑞士伯爾尼專利局默默無聞的專利審查員.正如牛頓被樹上掉落的蘋果砸中，啟發(fā)研究物體的自由落體運(yùn)動(dòng)，最終創(chuàng)立萬有引力學(xué)說，愛因斯坦的廣義相對(duì)論和引力波的靈感產(chǎn)生也有一段科學(xué)逸聞.

1922年，愛因斯坦回憶廣義相對(duì)論的創(chuàng)立時(shí)說：“1907年底某一天，突破口突然找到了.當(dāng)時(shí)我正坐在伯爾尼專利局辦公室里，腦子里突然閃現(xiàn)了一個(gè)念頭：如果人正在自由下落，他決不會(huì)感到他有重量.我很震驚，這個(gè)簡(jiǎn)單的理想實(shí)驗(yàn)給我的印象太深刻了，它把我引向引力理論.”[2]正是這一絲稍縱即逝的靈感火花，觸發(fā)了愛因斯坦“一生中最幸福的思想”：想象自由落體者處在一個(gè)密閉空間中，比如一部自由墜落的升降機(jī)，他會(huì)感到失重，拋出的任何物體都會(huì)與他一起漂浮.他將無法通過實(shí)驗(yàn)來辨別，自己所處的密閉空間是做自由落體運(yùn)動(dòng)，還是在外太空的無重力區(qū)域漂浮，這是科學(xué)史上著名的“愛因斯坦電梯實(shí)驗(yàn)”的最初來源[3].

隨后，愛因斯坦想象這個(gè)人仍在同一個(gè)密閉空間里，處于沒有重力的外太空中.此時(shí)有一個(gè)恒力將密閉空間以某一加速度向上拉升，他會(huì)感到自己的腳被壓到地板上.如果拋出一個(gè)物體，物體將會(huì)以加速運(yùn)動(dòng)落在地板上，就如同他站在地球上一樣.他無法區(qū)分自己是受到引力的作用，還是受到向上加速度的作用，愛因斯坦稱為“等效原理”.

等效原理是廣義相對(duì)論的第一個(gè)基本原理，由于慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量相等，引力場(chǎng)對(duì)物體施加的作用，無法與加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果區(qū)分開來.1915年，時(shí)年36歲的愛因斯坦達(dá)到科學(xué)事業(yè)的巔峰，提出廣義相對(duì)論，改變我們對(duì)宇宙的理解.他感到從未有過的幸福，宣稱“我最大的夢(mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)”.四十年后，另外一則科學(xué)逸聞，可以佐證他對(duì)等效原理的偏愛.

2 等效原理和愛因斯坦生日禮物

1955年3月14日，愛因斯坦的76歲壽辰，普林斯頓大學(xué)艾瑞克·羅杰斯教授送給老人一件看似簡(jiǎn)單的生日禮物.這個(gè)禮物用一個(gè)重球，一根彈簧，一根銅窗簾棍和其他常見的東西構(gòu)成.銅球系于繩的一端，懸掛在一個(gè)金屬杯之外，球可以貼切地置于杯上.繩穿過杯中一個(gè)小洞，然后通過管子連在彈簧上.裝置固定在銅棍的一端，可以輕易地把它拿在手中.最后杯和球封閉在透明的玻璃球中.由于彈簧太軟，不足以克服小球的重力，球只能掛在杯的外面.

同年4月3日，星期天上午，科學(xué)史專家科亨登門拜訪愛因斯坦，在長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)半小時(shí)的訪談中，愛因斯坦評(píng)述了物理學(xué)史上著名人物及其貢獻(xiàn).當(dāng)墻上的掛鐘指向12點(diǎn)半時(shí)，科亨起身準(zhǔn)備告辭，意猶未盡的愛因斯坦帶著幾分神秘的語氣，向他展示這件引以為傲的生日禮物（圖1）.科亨寫道：最后我要告別了.忽然愛因斯坦轉(zhuǎn)過身說：“等一等，等一等.我要給你看一件生日禮物.”回到書房后，我看到愛因斯坦從屋角拿出5英尺長(zhǎng)的像窗簾棍似的東西，在它的頂端有一個(gè)直徑約為4英寸的塑料球.愛因斯坦說：“你看，這是設(shè)計(jì)來演示等效原理的模型.” 愛因斯坦的臉上布滿了笑意，他的眼中閃爍著快樂的光輝，他說：“現(xiàn)在你來看等效原理.”他握住長(zhǎng)銅棒的中間，將它舉起直到球碰到天花板.

他說：“我現(xiàn)在讓它落下.根據(jù)等效原理，球應(yīng)該不受重力，這時(shí)彈簧的強(qiáng)度就足以將小球拉到塑料管的頂端.忽然讓玩具自由垂直落下，并用手護(hù)著它，直到它的底部落到地板上.塑料球現(xiàn)在和眼睛在同一高度，可以看到小球正在塑料管的頂端.”[4]“愛因斯坦生日禮物”讓他回想起一生中最快樂的時(shí)光，他對(duì)引力的探索和研究，應(yīng)用等價(jià)原理理解星體和星系如何在彎曲的宇宙中運(yùn)行，計(jì)算宇宙中的質(zhì)量如何彎曲空間和時(shí)間，得到宇宙的結(jié)構(gòu)[5].

3 引力波研究的曲折歷史

引力波發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為一項(xiàng)劃時(shí)代的科學(xué)成就，打開人類觀測(cè)宇宙的一個(gè)新窗口，有助于研究宇宙的起源和進(jìn)化.1916年，愛因斯坦論證引力的作用以波動(dòng)的形式傳播.引力波最初只是一個(gè)理論構(gòu)想，來源于方程式的推導(dǎo)，而非真實(shí)的實(shí)驗(yàn)觀察.愛因斯坦認(rèn)為，引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略，無法被探測(cè)到.

1936年6月1日，《物理評(píng)論》編輯部收到由愛因斯坦和羅森署名的一篇來稿，稿件的標(biāo)題為“引力波存在嗎？”此前，愛因斯坦寫信給他的同事馬克斯.波恩，“我和一個(gè)年輕的合作者一起得到了有趣的結(jié)論，引力波不存在，盡管在一級(jí)近似下它們被認(rèn)為確實(shí)存在.”面對(duì)這位科學(xué)大師的來稿，編輯部如獲至寶，認(rèn)為這是一件莫大的榮幸.編輯部按照一貫的審稿規(guī)則， 6月7日將稿件送給審稿人審查.7月17日，審稿人寄回長(zhǎng)達(dá)十頁的審稿意見，認(rèn)為稿件有嚴(yán)重錯(cuò)誤，必須修改.7月23日，編輯部致函愛因斯坦，信中寫到：“親愛的愛因斯坦教授：謹(jǐn)將你和羅森博士投遞本刊的稿件隨同審稿人的意見一并寄回.在發(fā)表你的文章之前，希望看到你對(duì)審稿人對(duì)你們稿件所作的各種評(píng)論和批評(píng)的反應(yīng).”

自我感覺良好的愛因斯坦顯然沒有預(yù)料到這場(chǎng)意外，接到這封充滿善意的建議信，他失去了往常的溫文爾雅的大師風(fēng)度.7月27日，他懷著一腔惱怒之火，給編輯部寄去一封火藥味十足的抗議信，信件用德文寫道：“親愛的先生：我和羅森博士曾將我們的稿件寄給你發(fā)表，但我們并未授權(quán)你在該文印出前拿給任何專家看.我覺得我沒有任何理由去回答那位匿名專家的評(píng)論，況且評(píng)論是錯(cuò)誤的.鑒于此事件，我寧肯在別處發(fā)表這篇文章.” 面對(duì)這位科學(xué)權(quán)威的發(fā)難，《物理評(píng)論》編輯部依舊堅(jiān)守原則，把稿件退回.愛因斯坦將稿件投往另外一家不太著名的學(xué)術(shù)刊物，1937年1月《富蘭克林研究所雜志》刊登這篇論文.慶幸的是，當(dāng)愛因斯坦的頭腦冷靜下來，重新審視自己的研究論文，發(fā)現(xiàn)其中一處錯(cuò)誤.他很快糾正這個(gè)錯(cuò)誤，論文的標(biāo)題也戲劇性地改成《論引力波》，肯定了引力波的存在，也算是科學(xué)史的一件趣聞[6].

“人非圣賢，孰能無過.”愛因斯坦在自己最擅長(zhǎng)的相對(duì)論領(lǐng)域，也犯過其他一些錯(cuò)誤.1916年，他構(gòu)建引力在廣義相對(duì)論中起作用的理論，在方程式中引入宇宙學(xué)常數(shù).由于他固守靜態(tài)宇宙的哲學(xué)信念，認(rèn)為宇宙學(xué)常數(shù)抵消了宇宙中引力收縮的趨勢(shì).不久，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的證據(jù).1936年，愛因斯坦在《科學(xué)》雜志發(fā)表一篇文章，詳細(xì)解釋“恒星讓通過引力場(chǎng)的光線發(fā)生偏差的類似透鏡的效應(yīng)”，也就是引力透鏡效應(yīng).愛因斯坦只考慮恒星的透鏡效應(yīng)，沒有想到星系，認(rèn)為沒有直接觀測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象的希望，如今引力透鏡效應(yīng)已經(jīng)成為科學(xué)家繪制宇宙圖譜最有用的技術(shù)之一.

4 引力波新聞的后感

理解和學(xué)習(xí)科學(xué)被不少學(xué)生當(dāng)做一件頭疼的事，科學(xué)家作為知識(shí)分子的精英群體，更被視為智慧和真理的化身.這次引力波傳播事件，不少媒體強(qiáng)調(diào)突出愛因斯坦的歷史作用，有媒體冠以“跨越百年的愛因斯坦禮物”等標(biāo)題.如此片面渲染科學(xué)發(fā)現(xiàn)的個(gè)人英雄主義，忽視科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的集體與合作精神，削弱了科學(xué)家的人性形象，無形中使學(xué)生對(duì)科學(xué)與科學(xué)家敬而遠(yuǎn)之.愛因斯坦對(duì)此有清醒的認(rèn)識(shí)，他曾經(jīng)說：“我沒有特別的天賦，我只有強(qiáng)烈的好奇心.”“我從事科學(xué)研究完全是出于一種不可遏制的想要探索大自然奧秘的欲望，別無其他動(dòng)機(jī).”“我有時(shí)自問，怎么偏偏是我創(chuàng)立了相對(duì)論呢？我認(rèn)為其原因如下：一個(gè)正常的成年人不見得會(huì)去思考空間和時(shí)間問題.他會(huì)認(rèn)為這個(gè)問題早在孩童時(shí)代就搞清楚了.我則相反，智力發(fā)展得很慢，成年以后才開始思考空間和時(shí)間問題.很顯然，我對(duì)這些問題比兒童時(shí)期發(fā)育正常的人想得更深.”

參考文獻(xiàn)：

[1]朱宗宏，王運(yùn)永.引力波的預(yù)言、探測(cè)和發(fā)現(xiàn)[J]物理，2016，5：300-310.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M]. 北京：清華大學(xué)出版，1993.

[3]愛因斯坦文集[M].北京： 商務(wù)印書館，1979 ，175.

[4]I.Bernard Cohen.An Interview with Einstein[J].Scientific American，No 193（July 1955）：68-73.

[5]徐一鴻， 愛因斯坦的宇宙——老人的玩具[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2004 ，41.

[6]劉寄星. 愛因斯坦和同行審稿制度的一次沖突[J]物理， 2005，7： 487-490.