[科普中国]-引力波的历史：爱因斯坦和他的相对论

乐器发出的声音满载着信息。聆听音乐时，我们可以推论出演奏音乐的乐器的种类（如管乐器或者弦乐器）和质地（铜制的或是木制的），我们甚至可以评价乐手技艺的精湛程度。所有这些信息的载体是声波，这是一种以固定速率向外传播的空气扰动。物理学家也借用这个概念来研究宇宙。只不过，在宇宙中传导波的介质并不是空气，而是时空；而这种波不再是声波，而是引力波。实际上，广义相对论提出的一个基本假设是，把空间的三个维度和时间维度统一在一起的时空（spacetime）是具有弹性的。就算其中空无一物，时空也可发生振动，而这种振动就是引力波。这种波与乐器发出的声波一样，也满载着信息。这些信息一方面反映了制造出引力波的事件，而另一方面也体现了引力波传播时通过的时空的性质。爱因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初，引力波曾遭到了物理学家的质疑。从理论的角度看，引力波的存在仰仗的是时空与其他物理实体之间的微妙差异。此外，通过实验探测引力波是极为困难的。现在，再没人怀疑引力波的存在了。引力波是广义相对论的预言产物，而广义相对论在20世纪已经被无数的观测和实验所证实。此外，一些天文观测为引力波的存在提供了间接证据。物理学家甚至算出了引力波的一些特征值，比如传播速度。引力波在真空中的传播速度等于光速，与广义相对论的预测一致。不过，引力以有限的速度传播，这个性质并不是显而易见的。这个观点最初由皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）于1773年提出，与当时的主流理论——牛顿的万有引力理论是相悖的。在牛顿的理论框架内，不管相隔多远，两个有质量的物体间的引力作用是立即发生的。而牛顿的理论相当成功，例如，它可以准确地解释行星运动的开普勒定律。拉普拉斯希望借用自己的新理论来解释一个奇特的天文现象——朔望月（月相变化的一个完整周期）的缩短。我们现在知道，这个现象是由于地球自转受潮汐力的影响变慢而造成的。而在当时，为了解释这个现象，拉普拉斯构造了一个与牛顿体系不同的理论模型。在拉普拉斯的理论中，引力反映的是物体发射出的粒子的作用，这些粒子的速度是有限的。拉普拉斯将他的理论预测与观测进行对照，他发现所谓的“粒子”的速度应该至少是光速的700万倍（光速大约是每秒30万千米）。这个速度如此之大，实际上跟牛顿的理论没有太大的差别。100年后，苏格兰人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了电磁学理论，而美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）则通过实验证明光速守恒。这些发现间接地促使研究者重新考虑引力的速度问题。为了解释光速守恒，昂利·庞加莱（Henri Poincaré）发明了所谓的“新力学”，它的方程与爱因斯坦的狭义相对论相似，但其物理学意义则不同。然而，不管是在庞加莱还是爱因斯坦的理论框架下，没有任何作用力的传播速度能超过光速，而这是与牛顿引力理论抵触的。庞加莱于1905年提出了一个新理论，他认为引力作用的传播速度也等于光速，相当于一种“引力波”。但是，他的理论却有不可挽回的缺陷。其中最致命的一点在于，无法根据这个基本假设得出一个一般性的引力定律。另外，这个理论还违反了作用力-反作用力定律。而且这种“引力波”需要从波源汲取能量，但它本身却不能像声波或电磁波那样携带能量。爱因斯坦建立了普遍适用且与观测数据相符的引力理论。他在1915年发表了广义相对论方程，该方程将相对性原理扩展到对所有观测者有效（相对性原理指的是对于任何观测者，物理定律都是相同的，在狭义相对论中这一原理仅对惯性系中的观测者有效）。广义相对论为引力现象提供了一种与相对性原理相符的描述。这一伟大成就的核心思想完全颠覆了人们对时间和空间的认识。最开始颠覆这些“常识”的是狭义相对论，特别明显地体现了这一点的是德国物理学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）在1907年根据狭义相对论得出的几何表达式。闵可夫斯基证明，就算两个观测者测量两个事件的时间间隔和距离时得到的结果不同，但对分割两个事件的某种“时空距离”，他们得出的结果总是一致。这意味着，独立于观测者的物理现实不是单独的时间或空间，而是时空，一个能将时间和空间统一起来的四维几何结构。爱因斯坦的广义相对论则更进了一步，指出时空不是绝对的，即时空的几何并不像狭义相对论那样是既定的。爱因斯坦提出，时空的几何是由其中所含的能量决定的，而引力恰恰就是时空的弯曲几何的体现——而不是一种“力”。我们通常用一个图示来说明这个道理：空间是一片因为中央大质量天体而畸变的曲面，大质量天体旁边有一个较小的天体。在这幅图示中，较小的天体并不受力，它受惯性支配笔直向前运动。但由于空间是弯曲的，小天体的运行轨迹也是弯曲的，结果就是绕着大质量天体旋转。这种图示在某种意义上是错误的，但却道明了一个事实：在现代物理中，时空不再只是一个供物理事件上演的被动场地，它成为了一种与其他物体联系在一起的柔软连续体。作者：法国萨瓦大学粒子物理实验室教授、《环球科学》杂志特约专家达米尔布斯库里克（Damir Buskulic），法国图尔大学数学及理论物理实验室副教授、《环球科学》杂志特约专家路易克维兰（Loc Villain）转载请注明来自“科普中国”。