《宇宙之书》：拨开引力波的百年迷雾
2016年02月18日 来源： 南方日报 林文俏
《宇宙之书》 （英）约翰·D.巴罗 著 李剑龙 译 人民邮电出版社 2013年4月 定价：39.00元
猴年伊始，世界最具爆炸性的科学新闻无疑是美国科学家2月11日宣布第一次直接探测到引力波的存在。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，它被直接探测到是现代物理学新的里程碑。由于引力波的探测十分困难，百年来，对引力波是否存在充满争议，甚至连其预言者爱因斯坦对其是否存在也曾动摇过。
宇宙自古以来就激发着人类无尽的好奇和想象。唐诗宋词，留下多少星空佳句？明清小说，讲述了一个个星空神话故事。爱丁顿、霍伊尔、霍金，英国有许多一流的宇宙学家。他们中很多人都非常喜爱且擅长撰写科普作品。剑桥大学应用数学与理论物理学系教授约翰·D.巴罗的科普名著《宇宙之书——从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙》，带领我们追踪现代天文学的前沿进展，纵览“奇异得超乎我们想象”的宇宙。这是一部宇宙学发展史，诉说了从亚里士多德、托勒密、哥白尼到爱因斯坦，从古至今，人们对于我们所在宇宙的无尽探索。这是对宇宙学现代理论的全面介绍，梳理了人们从爱因斯坦场方程中得到的种种奇异的宇宙现象，拨开引力波的百年迷雾。
引力主导了天，让宇宙星系有序地形成和演化；主导了地，让我们生活的地球分成了各个圈层。17世纪末牛顿从下落的苹果，提出“万有引力”概念——物体质量的存在导致了引力。两百多年里它被认为是绝对真理。1915年爱因斯坦提出广义相对论，革新了牛顿的经典引力观，提出了引力的本质是“时空的弯曲”。1916年爱因斯坦预言引力的作用以波动的形式传播。如同石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久，为什么引力波这么难得一见？自然界中存在四种作用力：万有引力、电磁力、将质子和中子结合在一起的强力、使中子衰变为质子的弱力。相比较其他的4种力，宇宙引力是最弱的。地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的引力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时变得非常微弱。百年来，科学家们对引力波的探测未曾停歇，但举步维艰。上世纪70年代，美国科学家在观测双星系统的过程中，发现引力波存在的间接证据，并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。100年来不断有实验声称直接探测到了引力波，但后来都被证明是乌龙。20世纪90年代起，大型激光干涉仪引力波探测器开始在全球范围内兴建，真正拉开了引力波探测黄金时代的序幕。
由于引力波的探测十分困难，百年来，对引力波是否存在充满争议，甚至连爱因斯坦也曾动摇过。爱因斯坦当年曾扬言人类永不可能发现引力波。爱因斯坦之后的宇宙研究再也不是观察星空的研究，而是计算公式的研究。奇妙的宇宙绽放在公式里，或膨胀或扭曲或分裂。1932年，爱因斯坦离开了欧洲，去了新泽西州新建成的普林斯顿高等研究院。路上他在牛津大学做了短暂的停留，并在基督教堂学院做了个研究报告。他重新开始考虑求解他的方程组。1935年，他得到了一个年轻的研究助理纳森·罗森的帮助，帮他进行数学计算。1936年，爱因斯坦和罗森发现了爱因斯坦方程组的一类新的解。它描述了一个膨胀的圆柱状宇宙。这种形状简化了纷繁复杂的爱因斯坦方程组，使人们得以找到一个精确解。这种圆柱状宇宙有一个令人惊诧的新特点，这是以前从爱因斯坦方程组找到的其他宇宙模型中从来没有过的。这种圆柱状宇宙的空间中传播着一种波，所到之处的空间纷纷掀起涟漪。就像一筒卷纸松开的时候向外一层层地脱去。这是爱因斯坦第一次对他1916年预言的引力波提出具体波形（柱状波）想法。这种引力波的想法引起了一些争议。有些人认为这只不过是在“纸上谈波”，它们并不对应宇宙空间中任何真实存在的波的起伏。有些人则认为这是真实存在的波。在争议中，爱因斯坦和罗森也曾怀疑这种柱状波并非“真实存在”，它只不过是他们选择的坐标系的“人造产物”。1936年夏初，他们向美国的顶级物理学期刊《物理评论》寄出了自己的论文。文中声称，他们的新宇宙学模型中的引力波并非真实存在。7月23日，对广义相对论技术细节了如指掌的美国科学家霍华德·罗伯特逊的审稿意见寄给了爱因斯坦，他明确地认为，这个宇宙模型中的柱状引力波是真实存在的，并要求作者考虑他的这个意见。过了几个月，爱因斯坦仍然相信自己的新宇宙模型不包含真实的引力波。后来，一切都改变了，因为爱因斯坦与罗伯特逊交上了朋友。爱因斯坦放弃了怀疑，修改了自己的论文。
广东是中国引力波研究中心。中国本土重大引力波探测工程中山大学“天琴计划”已经于2015年7月份正式启动。
