爱因斯坦与引力波发现的科学逸闻三则

何桂明+黄明超

摘 要：爱因斯坦预言引力波的存在，一百年后被科学观测证实.论文梳理了与爱因斯坦广义相对论和引力波发现有关的三则科学逸闻，强调塑造真实可信的科学历史，避免学生产生刻板的科学家形象.

关键词：爱因斯坦；引力波；相对论；科学家形象

2016年2月11日，中国农历新年期间，遥远大洋彼岸的美国，一则科学新闻引發国内科技界与公众的高度关注.美国国家科学基金委员会宣布，首次利用高级激光干涉仪引力波探测器，发现引力波存在的直接证据[1].科学家表示，这是一幅奇妙的宇宙图景：两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成一颗62倍太阳质量且高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，最终抵达地球，被人类灵敏的“耳朵”接收和测听.

“忽如一夜春风来”，引力波新闻迅速占据国内主流媒体的重要版面，各大新媒体平台用文字、视频、动画等方式，通过微博、微信、论坛等渠道，进行引力波的全方位解读，形成多年来少见的一次科普传播热潮.作为非专业领域的研究人员，普通公众对深奥莫测的引力波，其实是“只闻其名，不明其意”.之所以有如此广泛的社会关注度，很大程度与科学伟人爱因斯坦有关.尽管已经离世61年，爱因斯坦与他标志性的相对论理论，借助引力波的强力推动，再次回到公众的视野中.

1 广义相对论的灵感火花闪现

1905年被誉为“爱因斯坦奇迹年”，爱因斯坦连续发表光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论、狭义相对论等重要论文，开启现代物理学的新篇章.不过，此后几年间，爱因斯坦依旧是瑞士伯尔尼专利局默默无闻的专利审查员.正如牛顿被树上掉落的苹果砸中，启发研究物体的自由落体运动，最终创立万有引力学说，爱因斯坦的广义相对论和引力波的灵感产生也有一段科学逸闻.

1922年，爱因斯坦回忆广义相对论的创立时说：“1907年底某一天，突破口突然找到了.当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果人正在自由下落，他决不会感到他有重量.我很震惊，这个简单的理想实验给我的印象太深刻了，它把我引向引力理论.”[2]正是这一丝稍纵即逝的灵感火花，触发了爱因斯坦“一生中最幸福的思想”：想象自由落体者处在一个密闭空间中，比如一部自由坠落的升降机，他会感到失重，抛出的任何物体都会与他一起漂浮.他将无法通过实验来辨别，自己所处的密闭空间是做自由落体运动，还是在外太空的无重力区域漂浮，这是科学史上著名的“爱因斯坦电梯实验”的最初来源[3].

随后，爱因斯坦想象这个人仍在同一个密闭空间里，处于没有重力的外太空中.此时有一个恒力将密闭空间以某一加速度向上拉升，他会感到自己的脚被压到地板上.如果抛出一个物体，物体将会以加速运动落在地板上，就如同他站在地球上一样.他无法区分自己是受到引力的作用，还是受到向上加速度的作用，爱因斯坦称为“等效原理”.

等效原理是广义相对论的第一个基本原理，由于惯性质量同引力质量相等，引力场对物体施加的作用，无法与加速运动产生的效果区分开来.1915年，时年36岁的爱因斯坦达到科学事业的巅峰，提出广义相对论，改变我们对宇宙的理解.他感到从未有过的幸福，宣称“我最大的梦想已经实现”.四十年后，另外一则科学逸闻，可以佐证他对等效原理的偏爱.

2 等效原理和爱因斯坦生日礼物

1955年3月14日，爱因斯坦的76岁寿辰，普林斯顿大学艾瑞克·罗杰斯教授送给老人一件看似简单的生日礼物.这个礼物用一个重球，一根弹簧，一根铜窗帘棍和其他常见的东西构成.铜球系于绳的一端，悬挂在一个金属杯之外，球可以贴切地置于杯上.绳穿过杯中一个小洞，然后通过管子连在弹簧上.装置固定在铜棍的一端，可以轻易地把它拿在手中.最后杯和球封闭在透明的玻璃球中.由于弹簧太软，不足以克服小球的重力，球只能挂在杯的外面.

同年4月3日，星期天上午，科学史专家科亨登门拜访爱因斯坦，在长达两个半小时的访谈中，爱因斯坦评述了物理学史上著名人物及其贡献.当墙上的挂钟指向12点半时，科亨起身准备告辞，意犹未尽的爱因斯坦带着几分神秘的语气，向他展示这件引以为傲的生日礼物（图1）.科亨写道：最后我要告别了.忽然爱因斯坦转过身说：“等一等，等一等.我要给你看一件生日礼物.”回到书房后，我看到爱因斯坦从屋角拿出5英尺长的像窗帘棍似的东西，在它的顶端有一个直径约为4英寸的塑料球.爱因斯坦说：“你看，这是设计来演示等效原理的模型.” 爱因斯坦的脸上布满了笑意，他的眼中闪烁着快乐的光辉，他说：“现在你来看等效原理.”他握住长铜棒的中间，将它举起直到球碰到天花板.

他说：“我现在让它落下.根据等效原理，球应该不受重力，这时弹簧的强度就足以将小球拉到塑料管的顶端.忽然让玩具自由垂直落下，并用手护着它，直到它的底部落到地板上.塑料球现在和眼睛在同一高度，可以看到小球正在塑料管的顶端.”[4]“爱因斯坦生日礼物”让他回想起一生中最快乐的时光，他对引力的探索和研究，应用等价原理理解星体和星系如何在弯曲的宇宙中运行，计算宇宙中的质量如何弯曲空间和时间，得到宇宙的结构[5].

3 引力波研究的曲折历史

引力波发现被誉为一项划时代的科学成就，打开人类观测宇宙的一个新窗口，有助于研究宇宙的起源和进化.1916年，爱因斯坦论证引力的作用以波动的形式传播.引力波最初只是一个理论构想，来源于方程式的推导，而非真实的实验观察.爱因斯坦认为，引力波辐射的能量很少，在所有能想得到的情况下，引力波的辐射都可以被忽略，无法被探测到.

1936年6月1日，《物理评论》编辑部收到由爱因斯坦和罗森署名的一篇来稿，稿件的标题为“引力波存在吗？”此前，爱因斯坦写信给他的同事马克斯.波恩，“我和一个年轻的合作者一起得到了有趣的结论，引力波不存在，尽管在一级近似下它们被认为确实存在.”面对这位科学大师的来稿，编辑部如获至宝，认为这是一件莫大的荣幸.编辑部按照一贯的审稿规则， 6月7日将稿件送给审稿人审查.7月17日，审稿人寄回长达十页的审稿意见，认为稿件有严重错误，必须修改.7月23日，编辑部致函爱因斯坦，信中写到：“亲爱的爱因斯坦教授：谨将你和罗森博士投递本刊的稿件随同审稿人的意见一并寄回.在发表你的文章之前，希望看到你对审稿人对你们稿件所作的各种评论和批评的反应.”

自我感觉良好的爱因斯坦显然没有预料到这场意外，接到这封充满善意的建议信，他失去了往常的温文尔雅的大师风度.7月27日，他怀着一腔恼怒之火，给编辑部寄去一封火药味十足的抗议信，信件用德文写道：“亲爱的先生：我和罗森博士曾将我们的稿件寄给你发表，但我们并未授权你在该文印出前拿给任何专家看.我觉得我没有任何理由去回答那位匿名专家的评论，况且评论是错误的.鉴于此事件，我宁肯在别处发表这篇文章.” 面对这位科学权威的发难，《物理评论》编辑部依旧坚守原则，把稿件退回.爱因斯坦将稿件投往另外一家不太著名的学术刊物，1937年1月《富兰克林研究所杂志》刊登这篇论文.庆幸的是，当爱因斯坦的头脑冷静下来，重新审视自己的研究论文，发现其中一处错误.他很快纠正这个错误，论文的标题也戏剧性地改成《论引力波》，肯定了引力波的存在，也算是科学史的一件趣闻[6].

“人非圣贤，孰能无过.”爱因斯坦在自己最擅长的相对论领域，也犯过其他一些错误.1916年，他构建引力在广义相对论中起作用的理论，在方程式中引入宇宙学常数.由于他固守静态宇宙的哲学信念，认为宇宙学常数抵消了宇宙中引力收缩的趋势.不久，天文学家发现宇宙膨胀的证据.1936年，爱因斯坦在《科学》杂志发表一篇文章，详细解释“恒星让通过引力场的光线发生偏差的类似透镜的效应”，也就是引力透镜效应.爱因斯坦只考虑恒星的透镜效应，没有想到星系，认为没有直接观测到这个现象的希望，如今引力透镜效应已经成为科学家绘制宇宙图谱最有用的技术之一.

4 引力波新闻的后感

理解和学习科学被不少学生当做一件头疼的事，科学家作为知识分子的精英群体，更被视为智慧和真理的化身.这次引力波传播事件，不少媒体强调突出爱因斯坦的历史作用，有媒体冠以“跨越百年的爱因斯坦礼物”等标题.如此片面渲染科学发现的个人英雄主义，忽视科学家团队的集体与合作精神，削弱了科学家的人性形象，无形中使学生对科学与科学家敬而远之.爱因斯坦对此有清醒的认识，他曾经说：“我没有特别的天赋，我只有强烈的好奇心.”“我从事科学研究完全是出于一种不可遏制的想要探索大自然奥秘的欲望，别无其他动机.”“我有时自问，怎么偏偏是我创立了相对论呢？我认为其原因如下：一个正常的成年人不见得会去思考空间和时间问题.他会认为这个问题早在孩童时代就搞清楚了.我则相反，智力發展得很慢，成年以后才开始思考空间和时间问题.很显然，我对这些问题比儿童时期发育正常的人想得更深.”

参考文献：

[1]朱宗宏，王运永.引力波的预言、探测和发现[J]物理，2016，5：300-310.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M]. 北京：清华大学出版，1993.

[3]爱因斯坦文集[M].北京： 商务印书馆，1979 ，175.

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

[5]徐一鸿， 爱因斯坦的宇宙——老人的玩具[M]. 北京： 清华大学出版社，2004 ，41.

[6]刘寄星. 爱因斯坦和同行审稿制度的一次冲突[J]物理， 2005，7： 487-490.