愛因斯坦是「引力波物理學」的奠基人

原初引力波是引力波的一種，它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動，隨著宇宙的膨脹而被削弱。原初引力波是創世紀大爆炸的「餘聲」，被科學家形象地比喻為宇宙誕生時的「第一聲啼哭」。探測原初引力波可以幫助人們追溯宇宙創生起始的「暴漲」時刻，宇宙在極短暫的急劇膨脹後形成了「嬰兒宇宙」，我們現在的「成年宇宙」是嬰兒期的宇宙不斷膨脹和演變的結果。生命哲學的「生長模式」可以很好地描述宇宙的生命周期，「古往今來」和「上下四方」的宇宙就像我們每一個人的生命一樣，經歷了從無到有、從小到大、從生長到死亡的過程。愛因斯坦預言了引力波，但是，愛因斯坦不一定預言了原初引力波。LIGO國際合作團隊在今年2月份首次證實了愛因斯坦預言的引力波，但是，BICEP2科學團隊在2014年3月首次發現的原初引力波信號被證明是由銀河系內的塵埃引起的，因此，原初引力波的存在有待科學家的觀測證實，中國科學院近日正式實施了「阿里計劃」，「阿里團隊」和BICEP2科學團隊的搜索目標相一致，共同指向了宇宙背景輻射中由原初引力波刻錄的印記。

儘管發現引力波和發現原初引力波一樣，可以作為支持廣義相對論的新證據，在過去的一個世紀，廣義相對論的其它預言，比如：光線的彎曲、水星近日點的進動以及引力紅移效應得到證實，但是，原初引力波的信號極其微弱，科學家不可能在它經過的地點「待命等候」，只能在它經過的時空尋找痕迹，因此，搜索引力波和搜索原初引力波的方法大不相同，科學家在目前引力波的搜索中使用了激光干涉儀，在原初引力波的搜索中使用了微波望遠鏡。原初引力波是一種引力波，但是，原初引力波不同於引力波。本作者發現在目前的科普讀物中有一個流行的觀點：原初引力波是愛因斯坦預言的，愛因斯坦既預言了引力波，又預言了原初引力波。科普讀物通常是這樣描述的：原初引力波是愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論中提出的，他預言了宇宙誕生之初產生的一種時空波動——原初引力波的存在。本作者這幾天查閱了引力波理論與檢測的文字資料，並未找出愛因斯坦預言原初引力波的依據，暫時相信一種判斷：愛因斯坦預言了一般性質的引力波，並未預言特殊性質的引力波，而原初引力波、黑洞和中子星引力波等屬於個別屬性的引力波，愛因斯坦並未預言個別屬性的引力波，他既沒有預言原初引力波，也沒有預言雙中子星的相互繞轉產生的中子星輻射引力波。

愛因斯坦1916年提出了「改變世界」的廣義相對論，廣義相對論的場方程式被認為是物理學八十、九十個方程式中最偉大的一個。就像一些哲學家聲稱超越了馬克思，後來人們發現並未實質性地超越馬克思哲學一樣；一些物理學家聲稱超越了愛因斯坦，後來人們發現並未根本性地超越愛因斯坦。愛因斯坦1918年根據廣義相對論的引力場理論預言了引力波的存在，他認為高速運動、或者加速運動的物體能夠輻射引力，引力波是這種引力輻射的載體，就像光波是電磁輻射的載體一樣，引力波的傳播速度與真空中的光速相同。引力波的存在是基於廣義相對論洛倫茲不變性的結果，愛因斯坦為此引入了引力相互作用的傳播速度有限的概念，相比較而言，引力波不能出現在牛頓的經典引力理論中，因為牛頓的經典理論假設物質相互作用的傳播速度是無限的。愛因斯坦認為引力是時空彎曲的一種效應，由於物體質量和時空的相互作用導致了彎曲效應，物體的質量越大，該物體導致的周圍時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空中運動時，物體位置的變化引起時空曲率的變化，在某些特定環境下，加速運動的物體同樣產生時空曲率的變化，這種變化以波的形式向外以光速傳播，形成一種引力波。

愛因斯坦在一百年前預言引力波時曾說到：「這些數值是如此微小，它們不會對任何的東西產生顯著的作用，沒人能夠去測量它們。」 引力的微弱作用的確如此，雖然萬有引力無處不在，引力卻是已知的基本力中最弱的。科學家認為引力波的很多行為像電磁波，只是比電磁波弱得太多，需要探測大強度的引力波源，因為引力波的強度跟天體的質量和運動劇烈程度呈正比例關係，天體的質量越大，運動越激烈，產生的引力波越強。為了尋找宇宙中的強引力波源，物理學和天文學家主要通過四種途徑來發現引力波的行蹤。（1）旋進的、或合併的緻密雙星系統。比如中子星或者黑洞的雙星系統。（2）快速旋轉的緻密天體。這類天體會通過周期性的引力波輻射損失角動量，它的信號強度會隨著非對稱的程度增加而增加。可能的候選體包括非對稱的中子星。（3）隨機的引力波背景。類似於宇宙背景輻射，這類背景引力波通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴漲時的遺迹。2014年由加州理工、哈佛等大學的研究人員組成的BICEP2團隊宣稱，他們利用南極望遠鏡找到了原初引力波，但是，後來證實為銀河系塵埃影響的結果。（4）超新星或者伽馬射線暴爆發。恆星爆發時非對稱性動力學性質可能產生引力波，直接探測來自於超新星暴的引力波，將能提供這些天體的內部信息。（5）雙黑洞的合併事件。雙黑洞像雙中子星一樣，在繞轉中會發生碰撞和合併。LIGO國際合作團隊探測到雙恆星級黑洞的合併事件，這兩個雙黑洞在繞轉和最終的合併時，產生很強的引力波。

在不同類型的引力波源中，原初引力波是最強的引力波，也是最弱的引力波，科學家在地球上觀測到的最強引力波來自最遠且最古老的事件，宇宙在誕生之初經歷了短暫的劇烈膨脹，能量的劇烈釋放和粒子的「超光速運動」產生了「宇宙最強聲」的引力波，但是，最強的引力波和最強的光波一樣在暴漲和熱膨脹的宇宙史中發生了「波強度遞減效應」和「光強度遞減效應」，變成了今日宇宙中最弱的背景引力波和背景輻射。對於背景光輻射和引力波輻射而言，時間越早，波源的距離越遠，越會在太空的傳播中發生紅移，紅移指的是由於宇宙時空纖維的膨脹將光波和引力波的波長拉直、拉平的現象。測量背景光輻射和背景引力波需要極為精密的儀器，愛因斯坦時代的測量技術達不到這種精度，只有「後愛因斯坦時代」的測量技術才有可能，比如：LIGO國際合作團隊在今年2月探測到的引力波是13億年前的兩個大約30倍太陽質量的黑洞在合併中產生的引力波，它的振幅極小，只有一個質子直徑千分之一的尺度。LIGO國際團隊的科學家在幾十年的檢測中，不斷改進儀器的精確性，最終探測到了黑洞引力波，而BICEP2團隊的科學家遭遇了2015年的挫折，但是，他們沒有放棄尋找原初引力波的努力。

天文學家通過觀測雙星軌道參數的變化來間接驗證引力波的存在 ，比如：雙星體的公轉、中子星自轉；通過激光干涉儀「臂長」極其微小的變化來直接檢驗引力波的存在，比如：超新星爆發，黑洞的形成、碰撞和捕獲物質等事件能夠輻射較強的引力波，在地球上觀測到的最強引力波通常來自遙遠和古老的事件，巨大能量發生劇烈的移動，抵達我們的地球時變得十分微弱，微小的波動造成地面上「激光臂」長度的微小變動，比如：以LIGO引力波探測器的雙臂而言，變動的數量只有10的負21次方，相當於一個質子直徑的千分之一。愛因斯坦在廣義相對論的基礎上預言了高速運動的物體和大質量天體的碰撞會產生極強的引力波， 由於這些引力波傳到地球時會變得微乎其微，需要極高靈敏度的引力波觀測儀來探測它們。愛因斯坦似乎沒有預測和研究具體形態的引力波，或者說沒有預言原初引力波和黑洞引力波的存在，愛因斯坦既是引力波物理學、也是量子物理學的奠基者，但是，他沒有在這兩個物理學領域深入地研究下去，主要的原因可能是他對物理學的「大統一理論」更有興趣，儘管他沒有實現這一夢想，也是物理學統一理論的奠基者。引力波物理學似乎更接近量子物理學，愛因斯坦對量子物理學抱有一些懷疑和抵觸的情緒，「後愛因斯坦時代」的物理學家則在廣義相對論、統一場論、量子力學、引力波物理學領域走得更遠，揭示了愛因斯坦沒有揭示的引力波和原初引力波的性質，發現了探測它們的方法和觀測技術。

2016-12-26

(Albert Einstein is the founder of 「Gravitational wave physics」)