引力波百年研究速写

厚宇德

摘要1916年“引力波”一词出现在爱因斯坦的文章中，2016年2月科学家公布了直接探测引力波的实验结果。这一消息令世界轰动，这一刻仿佛科学仅仅意味着相对论，爱因斯坦就是科学之神，他的影响力再次君临世界。如果说科学事业也是浪漫的，那么它的浪漫如春燕衔泥筑巢一般，建立在科学家仔细、认真又大胆的一步步艰难的研究工作之上。引力波这一足够专门的研究也是如此。其理论探索一直论争纷扰，但也稳步前进；其实验研究除了耗资巨大，需要地利、人和外，还要依赖适当的天机。科学家的不懈努力终于由间接验证到直接探测，达到了实验研究的一个圆满新阶段。大众需要了解和知道的是，引力波与电磁波不同，它至少目前看来不会直接影响人们的衣食住行。引力波的发现所具有的更多是科学理论层面上的价值与意义。

关键词爱因斯坦 广义相对论 引力波 黑洞

2016年2月11日，北京时间23：30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟以及美国国家科学基金会，联合向全世界宣布：已经直接探测到引力波。所谓“LIG0”就是激光干涉引力波观察站的简称（Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory）。他们的相关研究论文，以《从双黑洞合并过程观测引力波》（0bservation 0f Gravitaition Waves from a Binary Black Hole Merger）为题，在《物理评论通讯》（Physical Review Letters）上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。顾名思义，这一研究观测到了在双黑洞合并这一特殊过程中产生的引力波。2016年距爱因斯坦1916年第一次明确提出“引力波”，刚巧100年，恰好一个世纪！

在接下来的几天里，科学家直接观测到引力波的消息成为中外各种媒体的热门话题。事实上，2月10日媒体对于科学家“进展报告”的内容已开始进行猜测，路透社等大媒体更是提前予以报道。法新社2月11日报道称，今天将公布引力波搜寻活动的进展，整个物理学界都为此而激动不已。相关网络文章被微信、微博广泛转载。事实上，激动不已的不限于物理界，懂科学的、不懂科学的都被这个消息所吸引，这个世界仿佛瞬间变成了一个由科学所主导的世界。有些人还赋予引力波以诗意。有一位文科专业的年轻女同事发微博说：“有关引力波又名时空涟漪的最美解释：引力波的发现，意味着永恒是可能的。用文科生的话说，引力波就像爱情，是超越一切时空的能量。它是今年宇宙送给人类的情人节礼物。”这位同事显然不知道一个残酷的毫不浪漫的事实：如果你的爱情就像你的引力波，那将很糟。因为靠你自己的运动来改变自身的物质状态所激发的引力波，与零极其接近，是根本无法感受到的。

一爱因斯坦研究引力波的几篇重要文章

1916年6月29日，爱因斯坦在德国《皇家普鲁士科学院学报》发表了一篇名为《引力场方程的近似积分》的论文（[1]，p.688）。文章的第三节专门研究“平面引力波”，第四节讨论“物质系统由于放出引力波的能量损失”。在特定的坐标系，爱因斯坦得到关于引力波的一个结论：“对于一切可以想到的情况，A是一个实际上趋于零的小值。”（[2]，页286）其中的A是系统单位时间辐射的能量。但是这不意味着引力波不存在：“有一个简单的方法可说明为什么不传递能量的引力波能够存在。原因是这些波不是‘真正的波，而是‘表现的波。这是由于我们采用了一种参考系，其坐标原点受到了波样的颤抖。”（[2]，页286）接着，爱因斯坦在文章中通过坐标系变换，证明场方程的某些解意味着可以传播能量。因此有的报道基于爱因斯坦文章的片言只语，称爱因斯坦早期认为引力波微弱近乎零，因而难以测量，进而引力波可能不存在的说法是不准确的。

在1918年1月31日发表的《论引力波》一文（[3]，页367-383）中，有“用推迟势解引力场近似方程”、“引力场的能量分量”、“平面引力波”、“由力学体系发射的引力波”以及“引力波对力学体系的作用”等节。文章已经得出“一个经常保持球对称的力学体系不可能辐射”引力波等结论（[3]，页379）。一般星体的自旋运动可以看做对称球的回旋，爱因斯坦的这一结论意味着，一般星体的自旋运动不辐射引力能。

1937年1月美国《富兰克林研究所学报》刊登了爱因斯坦和N.Rosen合写的论文《论引力波》（[3]，页436-448）。该文有两大部分：第一部分是“平面波问题的近似解和引力波的产生”；第二部分是“柱面波的严格解”。正如该文提要所说：“在碰到一些使人怀疑波动引力场的严格解是否存在的有些实例之后，我们严格考察了柱面引力波这一情况。结果表明，严格解是存在的，而问题就归结为欧几里得空间中通常的柱面波。”这是引力波的第一个严格解。虽然对引力波的研究当时仍有困惑、有疑问，但这篇文章标志着引力波理论研究达到了接近成熟的阶段。引力波是爱因斯坦广义相对论的自然推论，与爱因斯坦对于广义相对论其他方面以及量子力学的关注不同，他本人直接研究引力波的著述不多，但他仍是这一领域理论研究的重要推动者、无可替代的贡献者。

引力波的理论问题直到20世纪50年代后期，因美国物理学家费曼、英国著名数学家、宇宙学家邦迪等人的讨论、研究与宣传，才最终打消学界的疑虑。尤其是费曼提出、邦迪宣传的“粘性水珠讨论”（sticky bead argument），产生了广泛影响。与爱因斯坦合作过的N.Rosen并不相信存在引力波。为此，1957年费曼提出一个简单的想象实验以证实引力波的真实存在：如果引力波中有一根粗糙的棍子，适当调整棍子相对引力波传播方向的夹角，在合适的位置附在棍子表面的水珠会前后移动。水珠在棍子粗糙表面移动时会导致摩擦生热，而温度升高说明引力波就是热源，因而必然携带能量（[5]，页115-116）。所以，引力波并不只是纸上谈兵。

二引力波为什么难以观测？

从物理机制上讲，引力波的产生不难理解：如同变速运动的带电体可以产生电磁波一样，变速运动的物质可以发射引力波。如此看来，与很容易制造电磁波一样，似乎不难制造并探测引力波。然而一般情况下所制造的引力波是极其微弱的，事实上地球附近的引力波都是很微弱。引力波难以测量的原因主要有两个：

其一，电磁波与物质相互作用强，因而容易被探测到；与电磁波不同，引力波与物质只存在弱耦合相互作用，这一方面使引力波几乎在传播过程中无损失，但另一方面也难以被探测到。在粒子物理学史上，中微子是最难以探测的粒子，原因就是它具有其他粒子不具备的强大穿透性。而引力波则是具有绝对的穿透性，这点是中微子也望尘莫及的。

其二，通常情况下引力波十分微弱。可以通过一个例子予以说明。如果10米长的铁棒两端放上10千克的质点，整个系统以铁棒中心为轴，做周期为0.1秒的旋转运动。计算可知，这个系统产生的引力波波长约为1.5×10米。也就是说，波长与地球的直径尺度相当。为了探测到引力波，探测仪至少应该距离波源一个波长远。可以算出，这个位置该系统产生的引力波强度h≈5×10。这是目前根本无法捕捉的弱波。理论研究认识到，在弱场线性近似条件下，辐射引力场量子化后，可看做有静止质量为0，自旋为2的引力子组成（[7]，页132）。引力辐射按多极辐射展开时，最低阶为4极辐射，这与电磁辐射不同。后者主要是偶极辐射（[7]，页134-135）。

如果对实际天体公转运动产生的引力波有个量化的较为准确的了解，对于正确理解引力波是大有帮助的。质量为m的质点做半径为r的圆周运动，因为辐射引力波而产生的能量变化快慢可由下式求出：

这就是说，木星引力波辐射的能量仅与一盏白炽灯泡所能释放的能量相当。木星绕日运动机械能为10j。这些能量如果靠引力波辐射出去，需要10年，而太阳的理论寿命只有10年。因此偌大的木星绕日公转产生的引力辐射事实上是微乎其微的。与木星相似，太阳系成员的自转与公转几乎都不辐射引力波。这一结论进而可以推广到银河系很多天体。

三对引力波的观测与重要实验研究

1959年美国马里兰大学的J.Weber首次提出引力波探测方案，10年后他宣布探测到了来自银河系中心的频率为1660赫兹、强度为0.1erg/（cm2·s）的引力波。他的实验原理不难理解。设有一圆柱形天线（见插图，此图取自文献[7]第142页），其轴与引力波垂直，入射能谱密度为F（V）（erg·s-1），引力波天线共振吸收能量为：

计算可知，如果Weber探测到的这个引力波是真实存在的，那么它10年至10年内会辐射掉真个银河系，而事实上银河系已经存在10年至10年。其后物理学家没能再重复Weber的实验，公认他所测的信号不是引力波。

1978年J.H.Taylor与R.A.Hulse发表文章指出，从1974年到1978年他们对PSRl913+16中子脉冲双星进行了精密观测。该研究的核心在于，如果存在引力波辐射，双星的距离会缩短，公转周期将变小，具体计算表明每年减少104S。他们的观测结果与理论计算高度吻合，因此间接定量验证了引力波的存在。1993年二人获得了诺贝尔物理奖。为慎重起见，诺贝尔奖委员会公布的获奖原因不是证实引力波的存在，而是表彰他们开创了研究引力的新途径。这一研究当时只公布了观测和计算结果，但是没有公布具体计算方法和过程。1980年我国物理学家桂元星、赵峥与刘辽采用Landau-Lifshitz表述，取得了较为理想的结果，计算出的理论值为观测值的1.3倍（[7]，页143）。

20世纪90年代初，由Drever，Thorne和Weiss领导的LIG0项目得到了美国国家科学基金会的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造臂长四公里的迈克耳逊干涉仪。干涉仪呈现L型垂直排列，两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射，如果干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波事件。

LIGO探测器在1999年最初建成，然后花了5年时间，在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移变灵敏度达到10-21。2016年公布的这次探测信号强度很高，达到5.1西格玛（超过5西格玛信号定义为比较确定的发现），黑洞质量分别为36和29个太阳质量，合并后为62个太阳质量。他们甚至探测到了并合以后的振铃信号，它最终变成了一个克尔（Kerr）黑洞。

在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离地接触”了黑洞，观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。现在世界上许多国家都有研究引力波的专门研究团队和大型设备，引力波新研究成果仍值得期待。

四发现引力波的意义何在？

电磁波对于人类社会的影响是巨大的，今天如果电磁波突然全部消失，人类无异遭遇一场灾难。那么引力波的意义何在？

赵峥教授是我国著名的相对论研究专家。在6年前的著作中，赵峥教授曾指出：“1990年前后，国际上就积极筹建并已经部分完成激光干涉仪引力波天文LIG0、VIRG0、LISA、TAMA等），有可能使人类第一次直接观察到引力波，并开创引力波天文学的新纪元，但到目前为止还没有完全成功。”（[8]，页118）他预测有可能探测到引力波的第一家就是LIG0。2月11日的发布会证明赵峥教授的预言实现了。

赵峥教授认为，引力波的检测至少将对下述各方面有所贡献：

1）引力波可以穿透超新星爆炸时产生的不透光的壳层，人类将首次了解到超新星爆炸过程中内核的变化情况。

2）通过引力波的研究人类将可能直接确定黑洞的存在，可以测量黑洞和中子星的质量、结构、产生率及其在宇宙中的分布。

3）可以确定在极高密度下（p≥5×10.14g.cm-3）物质的物态方程。

4）可以研究早期宇宙的状态。

赵峥教授指出：“总之，引力波作为不同于电磁波的一个全新窗口将对人类认识自然界和宇宙空间产生巨大的影响。”（[8]，页118）还有专业研究指出，如果引力波不存在，广义相对论就要做出相应修改。

不难看出，正如赵峥教授和其他研究者所言，引力波的发现更多的是科学上的理论价值与意义。而几乎不会对于人类的日常物质生活产生直接影响。那么为什么媒体和大众对于引力波的发现如此好奇、如此关注呢？这可能有以下几个原因：

对于引力波的诠释，与宇宙、外太空、黑洞等直接相关联。而这些一直尤其近些年是最吸引人们目光的词汇。在这一方面，笔者有几句话要讲。时而见到月球、火星、金星等地的探险与移民计划。阅读这样的文字时，读者不要忘记一个最基本的事实：诚然地球上有温室效应，有大范围沙漠化，有可以摧毁地球多次的核弹，有空气、水与土壤污染等等。但是即使今天地球上不适合人类居住的角落，对人而言，作为生存环境，这些地方还是远远好过月球、火星等任何今天人类有可能到达的太空星球。最起码，这里还有足够的空气供你呼吸，而月球上几乎是真空，其他星球上甚至可能充满着对人而言完全是毒气的气体。不应该反对人类的探索愿望和进取心。但是无论研究还是科学传播首先要做到实事求是。

这次研究成果的发布貌似经过了很好的“包装”，提前透漏出部分信息，时间点赶在2016年爱因斯坦提出引力波一百周年，把整个研究成果与科学代言人爱因斯坦牢牢捆绑在一起……笔者不懂传播学的原理和技巧，但是一直认为，如果做一项研究，看看历史上爱因斯坦和玻尔的鼎鼎大名究竟是怎么树立起来的，一定会发现，无论有意或无意，其中一定有太多的与传播学规律的契合。因为从科学贡献上看，20世纪并不缺少足以与这二位比肩的科学大家，但是在“名望”上却逊色太远。这种差距看似源自于个人性格的不同，但从传播学角度去分析其原因也颇为有趣。

与x光发现及应用相关的诺贝尔物理奖颁发了三次，获奖者分别是伦琴、劳厄、布拉格父子；与威尔逊云室有关的诺贝尔物理奖颁发了两次，获奖者是威尔逊和布莱克特；在低温物理研究方面也颁发了两次，获奖者是昂尼斯和卡皮查。引力波研究已经有了1993年一次诺贝尔物理奖获奖经历，2016年公布的成果作为对于引力波的标志性实验研究，有资格获得诺贝尔物理奖。引力波领域的研究也许不会仅有两次获奖的机会。

最后需要说的是，继对于引力波研究的报道，网络上关于爱因斯坦青睐宗教的多篇文章开始被疯传。学术地说，爱因斯坦是有宇宙宗教情结的人。但他多次强调，他不信仰任何世俗的宗教。也就是说，爱因斯坦的宗教意识，与世俗膜拜的、干涉世俗生活的宗教与上帝，有本质区别。最近疯传的相关文章都不同程度有对爱因斯坦思想的曲解。参考文献

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[3]范岱年等编译.爱因斯坦文集·第三卷[M].北京：商务印书馆.1977.

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[5]巴罗.宇宙之书[M].李剑龙译.北京：人民邮电出版社.2013.

[6]黄玉梅等.引力波理论和实验的新进展[J]天文学进展.2007（1）：65.

[7]刘辽，赵峥.广义相对论[M].北京：高等教育出版社.2005.

[8]赵峥，刘文彪.广义相对论基础[M].北京：清华大学出版社。2010.

[9]张扬.宇宙残余引力波和双星引力辐射[J].科学通报.2015（34）：3302.