他「挽救」了愛因斯坦的引力波
1687年,牛頓出版了《自然哲學的數學原理》一書,建立起經典力學大廈的基礎,人類第一次把天上的天體的運動規律和地上的物體運動規律統一起來。這個偉大的力學體系至少有以下兩個默認的規則:物體之間力的方向在二者連線上,力的速度可以瞬時傳播,或者說:力傳播的速度無限大。例如,在地球上突然產生一個物體,那麼它剎那間就感受到了太陽對它的引力。但在1805年,經典力學大廈的建設者之一拉普拉斯卻提出:假如力的傳播速度有限,那地球與太陽之間的相互作用力的方向不在二者連線上,且地球繞太陽公轉的過程中,會損失能量。以現在的方式來解讀,損失的能量變成了引力波。
此後,引力波開始在科學史文獻上留下身影。1893年,赫維賽德寫了篇文章,將引力和電磁波進行類比,他認為,既然二者大小都與距離的平方成反比,那有電磁波,也可能有引力波。1905年,相對論先驅、青年愛因斯坦的偶像龐加萊,從類似於相對論的原理出發,提出引力波的速度等於光在真空中的速度(以下簡稱光速)。同在這一年,愛因斯坦發表了一篇重要論文,建立了相對論,將時間和空間統一為「時空」。1915年,愛因斯坦將引力納入相對論中,建立了廣義相對論。根據這個理論,引力的本質是物質引起的時空彎曲,物質質量越大,附近時空的彎曲程度(曲率)越大。「物體教時空如何彎曲,時空教物體如何運動。」
1916年,愛因斯坦首次用他建立的廣義相對論研究了時空彎曲率的變化與傳播。他發現,物體的運動一旦滿足一定條件,就會使周圍的時空的彎曲率發生變化,這種變化會像水波一樣傳播出去,引起更遠處時空的彎曲率跟著變化,就像推倒了多米諾骨牌。時空彎曲率的這個波動就是「時空曲率波」,因為時空的彎曲率體現為引力,所以也就是「引力波」。儘管愛因斯坦1916年的計算有些錯誤,但這總體上並不影響論文的分量。
然而科學的探索從來都不是一馬平川,愛因斯坦的引力波研究也曾經歷過山車般的「驚天大逆轉」。1936年,愛因斯坦和他的助手羅森寫了篇論文,認為之前的計算都有錯,引力波其實不存在,將論文投到美國雜誌《物理評論》,此前愛因斯坦已經在這個雜誌發表過三篇論文。令愛因斯坦沒想到的是,這篇論文被送到一個專家手裡審閱了。這個匿名專家寫了很長的審稿意見,認為愛因斯坦的論文結論不對,需要改正。
審稿意見寄到愛因斯坦手裡後,此前從未被人審過稿的愛因斯坦勃然大怒,他認為審稿人的意見大錯特錯,大大冒犯了他。於是他寫了封措辭嚴厲的信,將稿子撤回,轉投歐洲一家雜誌,並很快被接受了。可就在論文已經進入校樣、排版的階段時,愛因斯坦的新助手英菲爾德把普林斯頓大學的羅伯特遜對那篇論文的詳細意見轉告給愛因斯坦,當時也在普林斯頓大學任職的愛因斯坦才意識到:自己的論文錯了,引力波是存在的。於是愛因斯坦緊急叫停出版,按照同事羅伯特遜的建議修改了論文,然後以「引力波存在」為結論出版。他特意在論文里感謝「同事羅伯特遜教授的友好幫助」,使其得以改正錯誤。
物理學界在上世紀五六十年代之後已經普遍相信有引力波,但認為引力波普遍非常微弱,難以被直接探測。韋伯曾宣稱自己用共振棒探測到了引力波,但因為其他人無法重複出他的結果而未被承認。還好,直接方法雖然暫時不行,但間接方法還是取得了重大成果:1974年,赫爾斯和泰勒從兩顆脈衝星的周期變化中,找到了引力波存在的間接證據。二人也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。
而就在上世紀七八十年代,魏斯、索恩和德雷弗開始構思採用激光干涉的方法探測空間扭曲程度、直接探測引力波的方案。這就是「激光干涉引力波天文台」,英文縮寫為LIGO。LIGO有兩個一模一樣的儀器,被放在距離3000千米的地方。
經過多年的研製和升級,2015年9月14日,LIGO首次直接探測引力波,宣示了引力波時代的到來。魏斯、索恩和德雷弗三人也因此斬獲了2016年多項大獎。2017年3月,德雷弗去世,10月3日,魏斯、索恩和巴里什獲得了物理諾獎。2017年8月17日,LIGO探測到一對中子星碰撞產生的引力波,伴隨它的伽馬射線暴、千新星、X射線輻射與射電輻射都被相繼探測到,標誌著人類首次同時觀測到同一個天體物理現象發出的引力波與電磁波。相關結果於10月16日正式公布後,又一次轟動了世界。
在經歷一百多年的反反覆復之後,引力波終於成為天文學最重要的幾個核心之一。當年研究引力波的幾個巨人早已作古。愛因斯坦雖然聽從羅伯特遜的意見,改正了自己的錯誤,但此後不再向《物理評論》投稿。2005年3月,《物理評論》的主編與同事們找到了當年記錄愛因斯坦論文審稿情況的單子,發現審稿人一欄里赫然寫著:「羅伯特遜,7月6日。」
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