逼近宇宙的秘密

逼近宇宙的秘密：第9章 来自宇宙的声音——引力波 1936年7月，新泽西州普林斯顿大学（爱因斯坦被编辑退稿） 整整10分钟，爱因斯坦的新任助理、波兰人利奥波德·英菲尔德（Leopold Infeld）一直在赞扬霍华德·珀西·罗伯特森（Howard Percy Robertson）。英菲尔德坐在办公桌的另一边，与爱因斯坦之间隔着一堆摇摇欲坠的文件。*近英菲尔德似乎与刚从加州理工学院学术休假回来的罗伯特森建立了相当好的友谊。事实上，那天爱因斯坦从办公室的窗户里看到了他们在草坪上，在7月明媚的阳光下，二人兴致勃勃地聊着天，罗伯特森时不时地吸上一口烟斗。当罗伯特森沿着高级研究所宽阔的车道离开时，手里提着公文包晃来晃去。 爱因斯坦对罗伯特森这个人还是颇有些了解的。就在1935年，普林斯顿大学的这位年轻教授在对整个宇宙物质的均匀性做出了一些貌似合理的假设后，用爱因斯坦的引力论设法求得了一个宇宙解，从而完美地诠释了爱德温·哈勃1929年发现的宇宙的膨胀。这给爱因斯坦留下了深刻的印象。 英菲尔德从那堆文件的左侧或右侧探出身体，徒劳地想要与桌子另一边的老板有目光接触。英菲尔德说，他跟罗伯特森谈及了爱因斯坦和他的前助手内森·罗森（Nathan Rosen）曾写过的一篇关于引力波的论文，罗伯特森发现了其中的缺陷。说出这个情况的时候，英菲尔德很紧张，不知道爱因斯坦会做何反应。但他的担心是多余的。“嗯，”爱因斯坦说，“*近，我也意识到了这个错误。” 英菲尔德一离开办公室，爱因斯坦就马上把那篇论文的手稿找出来开始修改。引力波的问题比他预想的要复杂得多。1916年，在提出革命性的引力理论——广义相对论——的短短几个月时间里，爱因斯坦就意识到，振动时空并由此产生以光速向外传播的涟漪是可能的。这种引力波类似于在电磁场中荡漾的波——电磁波，早在1862年，麦克斯韦就把光认定为电磁波。 但是，爱因斯坦发现，直接从广义相对论中推导出准确的预测几乎是不可能的。这并不奇怪。为了描述引力场的各种能量分布，爱因斯坦被迫采用一组含有10 个方程的方程组来代替牛顿的1个方程。如果这还不够复杂，那么所有形式的能量（不仅是质量能）都具有引力，包括引力本身。引力产生引力！为了避免理论陷入无法计算的非线性，爱因斯坦别无选择，只能考虑弱引力的情况，并且申明没有额外引力的参与。这样，爱因斯坦不仅把10 个方程简化为易于处理的1 个，而且得到了1 个波动方程，就像麦克斯韦发现的那个方程一样。引力波似乎必须存在。 真实的情况是，依据广义相对论，爱因斯坦只能证明在引力很弱的特殊情况下，引力波才存在。但假如在更一般的情况下，引力波不存在，那引力波只是海市蜃楼。要想证明在所有情况下，广义相对论都能推导出引力波存在，那简直就是一场噩梦。这个推导太复杂，爱因斯坦一点灵感也没有。然而，20年来，证明引力波必定存在的愿望一直跟着爱因斯坦。当他逃离纳粹德国，在南加州逗留了一段时间后，*终在普林斯顿高级研究院（Princeton Institute for Advanced Study）落脚时，这件事再次浮现在他的脑海中。 值得注意的是，爱因斯坦和他的**位美国学生罗森发现了方程组的一个引力波解。这本该是一场胜利，但不幸的是，这个解中包含了一个奇点——引力波在一些地方激增到了无穷大——因此这个解毫无意义。本来要着手证明引力波的存在，但爱因斯坦和罗森似乎无意间证明了引力波根本不存在。 爱因斯坦丝毫不觉得失望。考虑到所有其他已知的场——电磁场、空气、水等——都可能有波的荡漾，而引力场却没有，他认为这是非凡的发现。A爱因斯坦曾给远在德国的朋友、量子先驱马克斯·玻恩（Max Born）写信：“我与一位年轻的合作者得出了一个有趣的结论，引力波并不存在。”之后，爱因斯坦和罗森共同撰写了一篇论文，标题为《引力波存在吗？》并于1936年5月底投送到了美国《物理评论》杂志社。 7月23日，《物理评论》的编辑约翰·泰特（John Tate）提出了退稿的要求，这让爱因斯坦大吃一惊。泰特在附信中说，一位匿名的审稿人指出该论文中有误。该审稿人声称，爱因斯坦和罗森以无穷大为由，证明引力波不存在，但这个令人困扰的无穷大是可以轻易消除的数学假象。泰特说，如果爱因斯坦能对审稿人的评论做出回应，他会非常高兴。 幸亏罗森已离开普林斯顿大学，到苏联担任学术职位去了，否则，他会目睹导师大发雷霆的情景。在德国，像《物理学年鉴》（Annelender Physik）这样的期刊会毫无异议地发表爱因斯坦寄来的所有东西。如果计算中出现了差错，会有人发表一篇后续论文来指出这个错误。这是德国人做科学的方式。爱因斯坦不相信《物理评论》竟会如此傲慢地拒绝这篇论文。这倒不是说爱因斯坦自命不凡，或者骄傲自大，而是他觉得事情本来就不应该是这样做的。 爱因斯坦给泰特写了一封言辞激烈的回信： 1936年7月27日 亲爱的先生： 我们（罗森先生和我）将手稿寄给你意在发表，而不是授权你在付印之前呈现给专家审读。我看不出有什么理由回应你那匿名专家的评论（且还是错误的）。有鉴于此，我宁愿将论文发表到别处。 谨启 爱因斯坦 （又及：已经去苏联任职的罗森先生授权我在此事上代表他回复。） 爱因斯坦说到做到。**次遭遇同行评议的蜇伤，爱因斯坦决定将这篇论文寄给他以前发过论文的小型出版物《富兰克林学会杂志》（the Journal of the Franklin Institute）。幸运的是，英菲尔德向爱因斯坦转述罗伯特森的意见时，论文还没寄出，否则爱因斯坦就没有机会纠正错误了。