经验在引力波探寻中的表现

吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

经验在引力波探寻中的表现

吕仕儒

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

1916年6月，爱因斯坦在研究引力场方程的近视积分时，发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波，由此提出了引力波理论。爱因斯坦逝世二十多年后，引力波被间接证明是存在的。2016年2月11日美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员宣布，他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。引力波作为一个被理性预言了的客观认识对象，远远超越了人类的经验范围，然而物理学发展的历程表明，作为认识主体的人在科学研究过程中始终无法摆脱经验的影响与制约，文章就经验在引力波探寻中的表现进行了分析和探讨。

爱因斯坦；经验；引力波；非逻辑思维

无论是在生活中还是在科学理论的研究中，有一种不断被人们使用的方法就是把难以理解的对象与已知的更容易理解的对象进行比较。譬如，物理学当中对模型的运用就是典型的例子。而模型的运用实际上就是把记忆当中的经验重新提取出来的过程。因为无论一个物理学理论多么复杂和抽象，最终一定要通过一个具体的客体作为承载物，只有这样才能得到别人的认可，同时也使自己心安理得。因为“只有那些原则上能被知觉想象出来的东西，才会真正被人们理解。”[1]394科学发展的历程表明，不论是面对能够被人类的经验直接感知的认识对象还是超越经验的认识对象，我们都没有办法与经验完全割裂开，下面看看经验在引力波探寻当中的表现。

一

波或波动作为一种扰动或信息在空间上传播的一种物理现象，人们最早是通过机械波获得认识的。一提到波我们的脑海立即幻化出水波的图像，经验告诉我们，它们作为机械波，其产生的两个所必须具备的条件就是波源和波赖以传播的媒介。正因如此，当麦克斯韦通过他的电磁场理论预言了电磁波的存在并被赫兹通过实验证实之后，人们马上考虑的一个问题就是电磁波是通过什么介质向外传播的，而不是考虑电磁波需要不需要传播的介质的问题。这就是经验使得人们不自觉地从潜意识当中把后一个问题忽略了。因为经验使得人们无法想象缺少介质的波怎么可以向外传播的。于是，人们开始寻思究竟哪一种物质最适合充当其赖以传播的媒介，结果寻遍我们经验能够直接感知的所有的客体之后，发现没有一个是合适的。最后只好把这一角色赋予了由古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle,BC384～BC322）想象出来的第五元素“以太”。以太被人们想象成一种十分坚硬的刚性的粒子，即使是金刚石这种最硬的物质的硬度也无法与其相比；同时以太又是一种如此稀薄，以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力的“物质”；而且，以太又是绝对静止的，实际上在某种情况下人们把以太与牛顿的绝对空间等同起来了。以太这种被人们想象出来的作为电磁波赖以传播的绝对静止的介质观念，在当时的绝大多数的科学哲学家们头脑中是如此地根深蒂固，从而使得一大批物理学家们企图通过理论和实验去寻找和证实。于是才有了1887年迈克耳孙和莫雷实验的零结果，也就是被人们称之为世纪之交飘荡在物理学天空上的第一朵乌云。实验结果实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参考系下具有相同的数值，与参考系的相对速度无关，以太其实并不存在。尽管爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）一直规避迈克耳孙-莫雷实验的零结果对其光速不变原理的确立所产生的影响，当年美国俄亥俄州克利夫兰开斯工学院物理学教授香克兰（R·S·Shankland）曾就此问爱因斯坦，爱因斯坦说过这样的话：“这可不是那么容易回答的，我搞不清楚我第一次听到迈克尔逊实验是在什么时候。我并没有意识到，在相对论成为我的生活的那七年中间，它曾经直接影响过我。我以为我正是理所当然地认为相对论是正确的。”[2]561但是，爱因斯坦同时又说，在1905～1909年间，在他同罗伦茨等人讨论广义相对论的想法时，对迈克尔逊的结果想得很多。可见，完全否认迈克耳孙-莫雷实验的零结果对爱因斯坦建立相对论的作用是不符合实际情况的。

二

引力波与电磁波相类似，也是一种完全超越了人类直接经验的客观认识对象，1916～1918年，爱因斯坦将引力场方程在离引力源较远的地方作线性化近视处理，得到了一个波动方程，据此，爱因斯坦预言可能有引力波从物质发出，且以光速传播，许多加速运动的物体都可以发射引力波。

有人说爱因斯坦求得引力场方程的一个特解，该解的黎曼曲率张量分量为周期函数：即黎曼曲率张量分量的周期性变动在时空中的传播，因而爱因斯坦想到了经典物理学中的波动方程，并仿照机械波的提出方式预言了引力波的存在。这是有一定道理的。纵观爱因斯坦的思维方式，我们会发现爱因斯坦惯用的方法就是，首先对其面对的客观认识对象进行整体把握，就是所谓的构建一个“思想实验”情景，然后才进入逻辑推理。而“思想实验”的建立就是在经验准确地说是在视觉化经验的提示下完成的，无论是狭义相对论还是广义相对论都如此。因为爱因斯坦认为：“物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本规律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律，并没有逻辑的道路；只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。”[2]102当然，爱因斯坦一直强调理性在物理学理论的建立当中的重要作用，但是，同时他也认为仅仅依靠理性是不够的，就像他说的那样：“要走向理论的建立，当然不存在什么逻辑的道路，只能通过构造性的尝试去摸索，而这种尝试是要受支配于对事实知识的慎密考查的。”[2]567因为“要是人们要彻底地不违反理性，那就不可能得到任何东西；也就是说：要是不用任何支架，那就不可能建造房子，也不可能架设桥梁，但是支架却不是房子或桥梁的任何组成部分。”[2]572基于广义相对论爱因斯坦曾经作出过三项预言：光线在太阳引力场中的弯曲、水星近日点的进动规律和光谱线在引力场中的红移现象。这三项预言都先后得到了证实。但是，自从通过广义相对论预言可能存在引力波以来，虽然人们在地球上建造了许多探测宇宙引力波的实验装置，好长一段时间以来，却均未捕捉到有关引力波的可靠信号，因为引力波的信号实在是太微弱了。但是，从经验出发，人们相信爱因斯坦肯定是正确的，所以，探寻的热情从来没有低落过。

1967年，英国天文学家休伊什(Antony·Hewish,1924-)和他的学生贝尔（Jocelyn ·Bell·Burnell，1943-）发现了第一个脉冲星（PSR1919+21），具有短周期脉冲辐射的新型恒星。休伊什由于在脉冲星的发现中起了决定性作用而获得1974年诺贝尔物理学奖[3]。

1974年，美国新泽西州普林斯顿大学的赫尔斯（Russell·A·Hulse，1950-）和小约瑟夫泰勒（Joseph H·Taylor·Jr，1941-）用西印度群岛波多黎各的300 m射电望远镜发现了一种新型脉冲星——脉冲双星。引起了全世界的轰动。他们的发现之所以重要，不仅是第一个，最主要的这是一个轨道椭率很大的双中子星系统，成为验证广义相对论预言的引力波是否存在的空间实验室。由此赫尔斯和泰勒获得了1993年诺贝尔物理学奖[4]。

2016年2月11日美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员宣布，他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号[5]。

引力波的发现意味着对宇宙微波背景辐射的测量将会进入下一个重要里程碑，让宇宙学家更好地了解大爆炸初期发生了什么，可以说为宇宙天文学研究开启了一个新的领域。

三

事实证明，在物理学理论的探索和选择中，物理学家作为具有视觉、听觉等感觉器官的认识主体，要想摆脱经验的影响和左右是非常艰难甚至是不可能的，把认识主体熟悉的感觉经验带入所面对的陌生的客观认识对象是物理学家经常使用的研究方法。因为“科学家也同艺术家一样，通过创造形象来对他生活的外在世界和人类内心世界进行解释。当然，创造感性形象并不是一个科学家所做的唯一的事情。一个物理学家、生物学家或一个社会学家，要花费大量精力和时间来收集材料，检验它们的有效性，对它们进行测量和计算，以便验证自己的预言和假设。”[1]367同时，我们人类所运用的语言也总是不断地把视觉化的经验带入物理学家的潜意识当中。所有这一切就使得物理学家在物理学理论的探索当中不断地与经验发生着这样或那样的联系。总览人类对宇宙模型的认识和构造，我们会发现无论是古希腊和中国古代的学者，还是今天工作在大型的超级计算机等现代化的先进的探测设备旁边的科学家们，谁都无法摆脱经验的影响，尽管经验是有局限性的，是可错的。用爱因斯坦的话说“……我们必须接受这样的观点，说自然界中的事件是象碰运气的赌博那样的。”[2]394这是由人的本性决定的。我们需要思考的是应该以怎样的态度面对这一切，特别是今天当人类面对的客观认识对象离我们的经验越来越远的情况下，尤其如此。

[1](美)鲁道夫·阿恩海姆.视觉思维[M].滕守尧,译.成都：四川人民出版社，1997.

[2](美)爱因斯坦.爱因斯坦文集(第一卷)[M].许良英,李宝恒,赵中立等,译.北京：商务印书馆,1976.

[3]李丽.时空向度的现代探索[M].重庆：重庆出版社,2006.

[4]吴鑫基,温学诗.诺贝尔奖百年鉴[M].上海：上海出版社,2001.

[5]徐仁新.首次测到引力波 [J].物理，2016,45（3）：195.

〔责任编辑 高海〕

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

吕仕儒（1963-），男，山西怀仁人，硕士，副教授，研究方向：科学技术史。