引力波的歷史:愛因斯坦和他的相對論

07-10

6月16日凌晨消息，正在美國聖迭戈參加再次召開的第228屆美國天文學會的LIGO科學合作組（LSC）和Virgo 合作組的科學家舉行新聞發布會，稱再次探測到引力波信號。這是兩個遙遠的黑洞相互合併過程所產生的時空擾動，該事件的漣漪穿越宇宙被探測到。關於引力波，你真的都了解了嗎？

樂器發出的聲音滿載著信息。聆聽音樂時，我們可以推論出演奏音樂的樂器的種類（如管樂器或者弦樂器）和質地（銅製的或是木製的），我們甚至可以評價樂手技藝的精湛程度。所有這些信息的載體是聲波，這是一種以固定速率向外傳播的空氣擾動。物理學家也借用這個概念來研究宇宙。只不過，在宇宙中傳導波的介質並不是空氣，而是時空；而這種波不再是聲波，而是引力波。

實際上，廣義相對論提出的一個基本假設是，把空間的三個維度和時間維度統一在一起的時空（spacetime）是具有彈性的。就算其中空無一物，時空也可發生振動，而這種振動就是引力波。這種波與樂器發出的聲波一樣，也滿載著信息。這些信息一方面反映了製造出引力波的事件，而另一方面也體現了引力波傳播時通過的時空的性質。

愛因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初，引力波曾遭到了物理學家的質疑。從理論的角度看，引力波的存在仰仗的是時空與其他物理實體之間的微妙差異。此外，通過實驗探測引力波是極為困難的。

現在，再沒人懷疑引力波的存在了。引力波是廣義相對論的預言產物，而廣義相對論在20世紀已經被無數的觀測和實驗所證實。此外，一些天文觀測為引力波的存在提供了間接證據。物理學家甚至算出了引力波的一些特徵值，比如傳播速度。引力波在真空中的傳播速度等於光速，與廣義相對論的預測一致。

不過，引力以有限的速度傳播，這個性質並不是顯而易見的。這個觀點最初由皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）於1773年提出，與當時的主流理論——牛頓的萬有引力理論是相悖的。在牛頓的理論框架內，不管相隔多遠，兩個有質量的物體間的引力作用是立即發生的。而牛頓的理論相當成功，例如，它可以準確地解釋行星運動的開普勒定律。

拉普拉斯希望借用自己的新理論來解釋一個奇特的天文現象——朔望月（月相變化的一個完整周期）的縮短。我們現在知道，這個現象是由於地球自轉受潮汐力的影響變慢而造成的。而在當時，為了解釋這個現象，拉普拉斯構造了一個與牛頓體系不同的理論模型。在拉普拉斯的理論中，引力反映的是物體發射出的粒子的作用，這些粒子的速度是有限的。拉普拉斯將他的理論預測與觀測進行對照，他發現所謂的「粒子」的速度應該至少是光速的700萬倍（光速大約是每秒30萬千米）。這個速度如此之大，實際上跟牛頓的理論沒有太大的差別。

100年後，蘇格蘭人詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了電磁學理論，而美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）和愛德華·莫雷（Edward Morley）則通過實驗證明光速守恆。這些發現間接地促使研究者重新考慮引力的速度問題。為了解釋光速守恆，昂利·龐加萊（Henri Poincaré）發明了所謂的「新力學」，它的方程與愛因斯坦的狹義相對論相似，但其物理學意義則不同。然而，不管是在龐加萊還是愛因斯坦的理論框架下，沒有任何作用力的傳播速度能超過光速，而這是與牛頓引力理論抵觸的。

龐加萊於1905年提出了一個新理論，他認為引力作用的傳播速度也等於光速，相當於一種「引力波」。但是，他的理論卻有不可挽回的缺陷。其中最致命的一點在於，無法根據這個基本假設得出一個一般性的引力定律。另外，這個理論還違反了作用力-反作用力定律。而且這種「引力波」需要從波源汲取能量，但它本身卻不能像聲波或電磁波那樣攜帶能量。

愛因斯坦建立了普遍適用且與觀測數據相符的引力理論。他在1915年發表了廣義相對論方程，該方程將相對性原理擴展到對所有觀測者有效（相對性原理指的是對於任何觀測者，物理定律都是相同的，在狹義相對論中這一原理僅對慣性系中的觀測者有效）。廣義相對論為引力現象提供了一種與相對性原理相符的描述。這一偉大成就的核心思想完全顛覆了人們對時間和空間的認識。

最開始顛覆這些「常識」的是狹義相對論，特別明顯地體現了這一點的是德國物理學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）在1907年根據狹義相對論得出的幾何表達式。閔可夫斯基證明，就算兩個觀測者測量兩個事件的時間間隔和距離時得到的結果不同，但對分割兩個事件的某種「時空距離」，他們得出的結果總是一致。這意味著，獨立於觀測者的物理現實不是單獨的時間或空間，而是時空，一個能將時間和空間統一起來的四維幾何結構。

愛因斯坦的廣義相對論則更進了一步，指出時空不是絕對的，即時空的幾何並不像狹義相對論那樣是既定的。愛因斯坦提出，時空的幾何是由其中所含的能量決定的，而引力恰恰就是時空的彎曲幾何的體現——而不是一種「力」。

我們通常用一個圖示來說明這個道理：空間是一片因為中央大質量天體而畸變的曲面，大質量天體旁邊有一個較小的天體。在這幅圖示中，較小的天體並不受力，它受慣性支配筆直向前運動。但由於空間是彎曲的，小天體的運行軌跡也是彎曲的，結果就是繞著大質量天體旋轉。這種圖示在某種意義上是錯誤的，但卻道明了一個事實：在現代物理中，時空不再只是一個供物理事件上演的被動場地，它成為了一種與其他物體聯繫在一起的柔軟連續體。

作者：法國薩瓦大學粒子物理實驗室教授、《環球科學》雜誌特約專家達米爾·布斯庫里克（Damir Buskulic），法國圖爾大學數學及理論物理實驗室副教授、《環球科學》雜誌特約專家路易克·維蘭（Lo c Villain）