引力波是如何從理論中發(fā)現(xiàn)的？

1932年，愛因斯坦離開了歐洲，去新澤西州新建成的普林斯頓高等研究院。途中，他在牛津大學(xué)做了短暫的停留，并在基督教堂學(xué)院做了個(gè)研究報(bào)告。遠(yuǎn)離危機(jī)重重的中歐，他重新開始求解他的方程組。1935年，他得到了一個(gè)年輕的研究助理納森·羅森（1909年至1995年），幫他進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。在隨后的兩年里，羅森和愛因斯坦合作撰寫了許多理論物理學(xué)領(lǐng)域的著名論文。

1936年，愛因斯坦和羅森發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦方程組的一類新的解。它描述了一個(gè)膨脹的圓柱狀宇宙，在這個(gè)宇宙里，所有的事情在隨時(shí)間變化的同時(shí)，也沿著空間中的某一個(gè)方向變化。這種模型簡化了紛繁復(fù)雜的愛因斯坦方程組，使人們得以找到一個(gè)精確解。這種宇宙有一個(gè)令人驚訝的新特點(diǎn)，這是之前從愛因斯坦方程組里找到的其他宇宙模型中從來沒有過的。這種宇宙的空間中傳播著一種波，所到之處的空間紛紛掀起漣漪。這有點(diǎn)像給卡斯納的宇宙（在不同方向上以不同的速率膨脹）增添了一些波，它們從對稱軸向外傳播，就像卷紙松開時(shí)向外一層層剝?nèi)ァ?/p>

對愛因斯坦和與他同時(shí)期的人來說，這種宇宙的最有趣之處是存在引力波。愛因斯坦一羅森宇宙不包含物質(zhì)，因此任何波動(dòng)都會(huì)掀起空間幾何的漣漪，并隨時(shí)間傳播開去。這種引力波的想法曾經(jīng)風(fēng)行了一段時(shí)間，也引起了一些爭議。但是，有些人認(rèn)為這只不過是在“紙上談波”，它們并不對應(yīng)空間中任何真實(shí)存在的起伏，是愛因斯坦方程組在特殊的坐標(biāo)系下產(chǎn)生的結(jié)果。有些人則認(rèn)為這是真實(shí)存在的波，如果一束波朝你襲來，它會(huì)對你產(chǎn)生影響（沿著一個(gè)方向拉伸你，并沿垂直的方向擠壓你，就像潮汐力）。

很快，愛因斯坦和羅森意識(shí)到，這個(gè)解是一個(gè)絕佳的理論檢驗(yàn)對象，要平息這場爭論并不需要借助任何不確定的推演，也不需要數(shù)值計(jì)算。值得注意的是，他們首先得到的結(jié)論是，這種柱狀波并非“真實(shí)存在”，它只不過是他們選擇的坐標(biāo)系的產(chǎn)物。他們說，這就像是一個(gè)地理學(xué)家的地球儀，所有的經(jīng)線都在極點(diǎn)處相交。對不懂的人來說，這可能說明地球上的那個(gè)地方大事不妙，但事實(shí)上什么事都沒發(fā)生。在地圖的極點(diǎn)處，你將其換成別的坐標(biāo)系，事物就變平常了。想象一下，你把經(jīng)線表示成歪歪扭扭的線，對不懂的人來說，這些線意味著地球上有一些東西在不斷波動(dòng)——肯定又是你錯(cuò)了。然而，要小心了，如果你看的是一幅等高線圖，你會(huì)發(fā)現(xiàn)許多復(fù)雜的波浪線看起來非常類似。在這種情況下，如果你斷定這些線并不對應(yīng)地球上任何“真實(shí)存在”的東西，你就錯(cuò)了。愛因斯坦和羅森當(dāng)時(shí)面臨的問題，便是他們應(yīng)該把這些曲率波歸為像等高線一樣的“真實(shí)存在”，還是像歪歪扭扭的經(jīng)線一樣的人造概念。

1936年夏初，他們向美國的頂級物理學(xué)期刊《物理評論》寄送了自己的論文。文中聲稱，他們的新宇宙學(xué)模型中的引力波并非真實(shí)存在。6月1日，他們的文章被簽收了，之后就像其他投稿一樣，被編輯寄給另一個(gè)科學(xué)家進(jìn)行評估。7月23日，論文的審稿意見回來了，并寄給了愛因斯坦，按照慣例，沒有透露審稿人的姓名。現(xiàn)在我們知道，給編輯提供審稿意見的不是別人，正是霍華德·羅伯特遜（1903年至1961年），一位對廣義相對論技術(shù)細(xì)節(jié)了如指掌的美國科學(xué)家。他不相信文章的結(jié)論，并一針見血地指出作者在文中得出錯(cuò)誤結(jié)論的地方。他認(rèn)為，這個(gè)宇宙模型中的引力波是真實(shí)存在的，并要求作者考慮他的這個(gè)意見。

在說到愛因斯坦的回應(yīng)之前，需要特別提一下，愛因斯坦以前所有的論文都發(fā)表在歐洲期刊上，當(dāng)時(shí)歐洲并沒有像這樣對論文進(jìn)行同行評議的傳統(tǒng)。歐洲期刊要么看作者的名氣大不大，要么看有沒有功成名就的科學(xué)家做介紹人，要么編輯親自審稿。拒絕一個(gè)功成名就的作者的投稿相當(dāng)不禮貌，這種事極少發(fā)生。結(jié)果，由于不理解美國的審稿機(jī)制，愛因斯坦在聽說編輯把他的文章寄給了另一個(gè)科學(xué)家的事后很沮喪。他給《物理評論》的編輯約翰·塔特回信說：

“我們（羅森先生和我）已經(jīng)向您寄去了我們的稿件用于發(fā)表，并沒有授權(quán)您在付印之前給別的專家審閱。我認(rèn)為沒有必要回應(yīng)您那位匿名專家的意見（本來就是錯(cuò)誤的）。鑒于此，我寧愿選擇在別的地方發(fā)表這篇文章。”

很快，愛因斯坦將這篇文章投到了《富蘭克林研究所雜志》，以前他在那兒發(fā)表過一篇論文。

過了幾個(gè)月，愛因斯坦仍然相信自己的新宇宙模型不包含真實(shí)的引力波。后來，一切都改變了，因?yàn)閻垡蛩固古c羅伯特遜交上了朋友——就是在《物理評論》匿名給愛因斯坦審稿，并對文章結(jié)論提出質(zhì)疑的那個(gè)羅伯特遜。羅伯特遜說服了愛因斯坦，讓他相信相比他和羅森得到的結(jié)果，另一種解的形式更清楚，毫無疑問，其中存在的柱狀引力波是真實(shí)的。那個(gè)時(shí)候，愛因斯坦和羅森的論文已經(jīng)被《富蘭克林研究所雜志》接受了。不過，愛因斯坦在收到校樣稿時(shí)，有機(jī)會(huì)在結(jié)論中做了一個(gè)保全面子的改動(dòng)。他增加了一段備注，“感謝我的同事羅伯特遜教授在澄清原文中的錯(cuò)誤時(shí)給予的親切幫助”。

他們剛投了稿，納森·羅森就前往蘇聯(lián)的基輔大學(xué)工作了。他是在報(bào)紙上讀到愛因斯坦發(fā)表了新論文這個(gè)新聞時(shí)，才聽說了后面發(fā)生的事。羅森并沒有被愛因斯坦和羅伯特遜的觀點(diǎn)說服，不相信引力波真實(shí)存在，隨后就獨(dú)自發(fā)表了一篇文章，仍然堅(jiān)持以前那個(gè)結(jié)論。直到20世紀(jì)70年代，幾乎所有的物理學(xué)家都已經(jīng)相信引力波的真實(shí)性了。

1957年，愛因斯坦去世兩年后，在北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的會(huì)議上，理查德.費(fèi)曼（1918年至1988年）提出的一個(gè)簡單觀點(diǎn)成為對羅森的關(guān)鍵反駁。費(fèi)曼證明，如果引力波垂直經(jīng)過一根粗糙的棍子，附著在棍子表面的水珠（由于存在摩擦力，它們被稱作“黏性水珠”）會(huì)前后移動(dòng)。水珠在棍子的粗糙表面移動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩擦生熱，就像你摩擦自己的雙手取暖一樣。溫度升高說明引力波就是熱源，因而必然攜帶能量。所以，引力波并不只是紙上談兵。

費(fèi)曼的“黏性水珠”之說化解了所有對引力波真實(shí)性的質(zhì)疑。引力波就像潮汐力，如果一束引力波垂直穿過一頁紙，就會(huì)沿著一個(gè)方向拉伸它，而在垂直的方向擠壓它——正方形會(huì)變成長方形，圓形會(huì)變成橢圓形。

關(guān)于這個(gè)故事還有件有趣的軼事。費(fèi)曼好像看不上教堂山會(huì)議的議程，注冊時(shí)使用了假名，于是“黏性水珠”之說是匿名發(fā)表的。在他的回憶錄《別鬧了，費(fèi)曼先生》中，他講述了尋找會(huì)議地點(diǎn)的經(jīng)過：

1957年，我去北卡羅來納大學(xué)參加一個(gè)討論引力的研討會(huì)。我本來要以物理學(xué)其他領(lǐng)域?qū)＜业纳矸輥碛懻撘碚?。由于我無法參加第一天的會(huì)議，當(dāng)我的航班在機(jī)場降落時(shí)，已經(jīng)是會(huì)議的第二天了。我走到叫出租車的地方，跟那人說：“我要到北卡大學(xué)?！?/p>

“你說的是哪一所？”他說，“在羅利的北卡州立大學(xué)呢，還是在教堂山的北卡大學(xué)？”

不用說，我完全搞不清楚?！八鼈冊谀睦?？”我問。心想兩個(gè)地方應(yīng)該挨得比較近。

“一家在北邊，另一家朝南走，路程都差不多遠(yuǎn)?！?/p>

我身上沒帶任何資料能讓我弄清楚究竟是哪個(gè)地方，而旁邊也沒有像我那樣晚了一天才來開會(huì)的人。

我靈機(jī)一動(dòng)?！奥犞?，”我跟出租車站的人說，“會(huì)議是昨天開始的，所以昨天一定有很多人路過這里去參加研討會(huì)。讓我形容一下這些人，看你有沒有印象：他們多半有點(diǎn)迷迷糊糊的，邊走邊談，不大理會(huì)自己究竟往哪個(gè)方向走，談話內(nèi)容都是‘姬—謬—拗，姬—謬—拗的?！?/p>

他整張臉都亮了起來，說：“你要去的是教堂山！”他揮手招來出租車，“帶這位先生去北卡教堂山分校?！?/p>

“謝謝！”我說，然后順利抵達(dá)會(huì)議地點(diǎn)。本文選自作者新書《宇宙之書》。