上次說(shuō)到愛因斯坦和羅森共同寫了篇論文，否定了引力波的存在，寫完這篇論文羅森就搬回蘇聯(lián)了，去了蘇聯(lián)的基輔大學(xué)，那論文這邊的事也就愛因斯坦一個(gè)人管了，他就投稿給了當(dāng)時(shí)美國(guó)頂尖的物理期刊叫《物理評(píng)論》，之前他們也有過合作，愛因斯坦羅森橋那篇論文就是投稿給的他們。要不怎么說(shuō)美國(guó)人和歐洲人不一樣呢？美國(guó)人最擅長(zhǎng)制度的設(shè)計(jì)，他們最擅長(zhǎng)跟你玩制衡，發(fā)論文都要求背對(duì)背審稿。

什么叫背對(duì)背審稿？就是審稿人不知道發(fā)稿人是誰(shuí)，不知道這論文誰(shuí)寫的，寫論文的人也不知道審稿的是誰(shuí)。物理評(píng)論的主編就給愛因斯坦找了一個(gè)審稿的，這主編也不知道愛因斯坦是誰(shuí)，沒聽說(shuō)過，他不是歐洲人沒那習(xí)慣。歐洲雜志刊登論文那都是看名氣來(lái)的，名氣大的就讓登，如果后輩沒有前輩的提攜那就麻煩了，當(dāng)年愛因斯坦就是普朗克提攜的。德國(guó)的物理學(xué)雜志也認(rèn)為，哪怕差一點(diǎn)的文章，哪怕是出現(xiàn)錯(cuò)誤的文章也總比沒有文章要強(qiáng)。那反過來(lái)美國(guó)人就不是這脾氣了，特別是這個(gè)物理評(píng)論，他們要打造高質(zhì)量的物理期刊，一點(diǎn)都不能馬虎，哪怕像愛因斯坦這樣的祖師爺也不能壞了規(guī)矩。果然別人審稿就找出了一堆毛病，寫了一大堆審稿意見。這個(gè)物理評(píng)論的主編轉(zhuǎn)給愛因斯坦的話也很客氣，意思就是您看一眼我們這審稿人說(shuō)的對(duì)還是不對(duì)??？結(jié)果愛因斯坦一看這審稿意見就氣不打一處來(lái)，心說(shuō)我一個(gè)相對(duì)論祖師爺誰(shuí)還有能力在這方面審我的稿子？他當(dāng)時(shí)就給物理評(píng)論主編寫信，表示撤稿不干了，此處不留爺自有留爺處。這主編也沒轍啊，這是程序必須得這么做啊。其實(shí)那時(shí)候程序也不是太完善，之前幾天都沒審稿怎么到了愛因斯坦這就開始要審稿了，所以愛因斯坦就很不爽。

愛因斯坦轉(zhuǎn)手就把文章投到了另一個(gè)名氣較小的刊物上，叫《富蘭克林研究所學(xué)報(bào)》。別人一看這小廟來(lái)了尊大菩薩，當(dāng)即就表示愿意給你刊登。愛因斯坦一看這情況，那好啊，就等著印刷出版吧，這時(shí)候愛因斯坦來(lái)了個(gè)新助手，這助手叫英菲爾德。英菲爾德也跟著愛因斯坦搞引力波，他其實(shí)還是有點(diǎn)懷疑這東西，引力波這東西應(yīng)該是有可能存在的，但畢竟愛因斯坦是大神，他也就接受愛因斯坦的意見。后來(lái)他就認(rèn)識(shí)了一個(gè)朋友叫羅伯遜，這個(gè)羅伯遜很厲害，他們就聊起了引力波的事。羅伯遜思路清晰侃侃而談，三下五除二就把他們頭疼的奇點(diǎn)問題給解決了。你們就這么這么辦，選用柱面坐標(biāo)。英菲爾德一聽馬上就告訴愛因斯坦，愛因斯坦當(dāng)時(shí)其實(shí)也回過味來(lái)了，他覺得不對(duì)勁，這幾天腦子轉(zhuǎn)過彎來(lái)了，然后他跟羅伯遜一討論，立馬覺得這引力波是存在的，這東西可以算出來(lái)。于是愛因斯坦就把論文題目給改了，改成《關(guān)于引力波》，這態(tài)度是180度大轉(zhuǎn)彎。但是之前的論文已經(jīng)交給了費(fèi)城的富蘭克林研究所學(xué)報(bào)了，別人已經(jīng)在那印刷了，正好研究所學(xué)報(bào)跑過來(lái)送校對(duì)稿讓愛因斯坦校對(duì)。趁此機(jī)會(huì)愛因斯坦趕緊往里面打補(bǔ)丁，打完補(bǔ)丁還在最后寫一句謝謝羅伯遜教授，別人羅伯遜那時(shí)候才30歲。后來(lái)在蘇聯(lián)的羅森看到文章發(fā)表出來(lái)之后就傻了眼，這才幾天不見怎么結(jié)論就完全不同了呢，心說(shuō)愛因斯坦你到底站哪邊啊？后來(lái)羅森一直不認(rèn)賬，他一直認(rèn)為引力波不存在，直到后來(lái)碰到了個(gè)后輩叫費(fèi)曼，這都是后話了。 

 那當(dāng)年給愛因斯坦審稿的人究竟是誰(shuí)呢？要知道那年頭懂廣義相對(duì)論的人就沒幾個(gè)，要放美國(guó)就更少了。原子彈之父奧本海默肯定懂，但那時(shí)候他在加州不在普林斯頓，然后其他人挨個(gè)算也都不在，最后目標(biāo)就落在了羅伯遜本人身上。后來(lái)有人就去翻紙堆，查找當(dāng)年的書信和單據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)年給愛因斯坦審稿的人果然就是羅伯遜自己，要不然他怎么這么熟。他當(dāng)時(shí)沒告訴愛因斯坦和英菲爾德這稿是自己審的，當(dāng)然了這物理評(píng)論的主編當(dāng)時(shí)給他稿的時(shí)候也沒告訴他這是愛因斯坦和羅森寫的，只告訴他這是一個(gè)大神級(jí)別的人寫的?？墒虑槠瓦@么巧，羅伯遜跟愛因斯坦是同事，后來(lái)還成了朋友。愛因斯坦當(dāng)年對(duì)這事很惱火，審稿意見他都沒仔細(xì)看，要不然他就能很早發(fā)現(xiàn)自己的問題了，也不至于后來(lái)要羅伯遜去拐彎抹角提醒他，畢竟審稿意見里寫的清清楚楚，自己不看那怪誰(shuí)去。 

H.P.羅伯遜

 這個(gè)羅伯遜在物理學(xué)方面有很大的貢獻(xiàn)，我們知道現(xiàn)在宇宙大爆炸的理論就是FLRW度規(guī)，這些字母全是一些人的名字，F(xiàn)代表弗里德曼，L代表勒梅特，R代表羅伯遜，W代表沃爾克，這基本個(gè)個(gè)都是大佬。弗里德曼是伽莫夫的老師，伽莫夫最后提出一套完整的大爆炸理論，而且還預(yù)言了微波背景輻射的存在。勒梅特是比利時(shí)的神父，他計(jì)算出宇宙膨脹的時(shí)候開心得想給上帝找份工作，他們都是搞相對(duì)論的嘛。羅伯遜他們正是在愛因斯坦算引力波這個(gè)節(jié)骨眼算出了度規(guī)，也就是說(shuō)羅伯遜和沃爾克歸納時(shí)間點(diǎn)都差不多，這就是整個(gè)宇宙大爆炸的理論基礎(chǔ)了。愛因斯坦雖然算出了引力波公式，但這東西大部分時(shí)間是被束之高閣的。愛因斯坦覺得這東西太微弱了，根本沒辦法把它測(cè)出來(lái)。像黑洞這種東西他當(dāng)時(shí)也不認(rèn)為黑洞有奇點(diǎn)，是真有這個(gè)東西，這東西很難去檢測(cè)。 

 一般天文事件發(fā)出的引力波微乎其微，就拿我們太陽(yáng)系為例，比如說(shuō)我們最大的行星木星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，那這個(gè)過程會(huì)不會(huì)輻射出引力波呢？這是會(huì)輻射出引力波的。這個(gè)質(zhì)量為地球300倍的木星輻射出去的引力波有多大的功率？大概也就5000瓦左右。也就是說(shuō)那么大個(gè)木星輻射出來(lái)的引力波也就三個(gè)烤箱那么大的功率。這功率也太小了，在這么廣袤的宇宙里，3個(gè)烤爐的功率分?jǐn)傄幌履沁€剩啥啊。更要命的是它的周期長(zhǎng)的嚇人，要輻射12年。這周期太長(zhǎng)了，木星繞太陽(yáng)一圈是12年。那好，要檢測(cè)這個(gè)就麻煩了，要想檢測(cè)引力波那首先要有兩個(gè)條件，首先頻率不能太低，像木星這樣一圈12年的那沒人耗得起，搞幾個(gè)周期科學(xué)家就退休了這就不行啊，最起碼有個(gè)幾赫茲吧，哪怕1赫茲也行啊。然后就是要強(qiáng)度大，你強(qiáng)度不大我收不到啊。要符合這兩個(gè)條件的那也就是中子星黑洞之類的了。大質(zhì)量恒星變中子星或者直接塌縮成黑洞的時(shí)候會(huì)不會(huì)有引力波輻射出來(lái)呢？答案是不會(huì)。因?yàn)榍驅(qū)ΨQ的這個(gè)過程都不會(huì)產(chǎn)生引力波，要產(chǎn)生引力波那就必須是那種不圓的東西。所以第一個(gè)想吃螃蟹測(cè)引力波的人就是韋伯，他20世紀(jì)50年代就開始搞了，那時(shí)候愛因斯坦可能還活著。韋伯就搞了一個(gè)大圓柱體，鋁做的，然后在上面就布滿了那種感受應(yīng)力的晶體。根據(jù)愛因斯坦的計(jì)算，引力波那是橫波，按照廣義相對(duì)論計(jì)算，這是個(gè)柱面波，說(shuō)白了就跟人的腸道蠕動(dòng)一樣，稍微有點(diǎn)那意思。那韋伯這個(gè)鋁圓柱在引力波的扭曲下回產(chǎn)生變形，那么這個(gè)晶體就能收到這種信號(hào)。不過這個(gè)引力波非常弱，而且引力波也很難變成其他能量，只有變成其他能量才能被我們的探測(cè)器接收到嘛，因此這個(gè)難度更大。電磁波就很容易可以變成其他的能量形式，因此就很容易被我們檢測(cè)，而且電磁波要比引力波強(qiáng)多了，這兩者之間強(qiáng)度差了幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，所以這韋伯的探測(cè)方法難度也不是一般的大。要探測(cè)引力波必須把那個(gè)圓柱體冷卻到極低的溫度，要一桶一桶液氦往上澆，不然這個(gè)圓柱體的熱運(yùn)動(dòng)就足夠把引力波的微小變形給覆蓋，而且引力波探測(cè)器一個(gè)肯定不行，一個(gè)探測(cè)器就無(wú)法排除什么風(fēng)吹草動(dòng)之類的干擾，你跺一跺腳啊有個(gè)小地震啊都沒辦法排除，起碼得有兩個(gè)探測(cè)器，這兩個(gè)探測(cè)器之間要離的越遠(yuǎn)越好，當(dāng)然了，探測(cè)器的數(shù)量肯定是越多越好了，不過最起碼要兩個(gè)。韋伯就用了兩個(gè)探測(cè)器，某天他突然接收到了一個(gè)信號(hào)，而且是兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)接收到的信號(hào)，他就特別開心，可惜后來(lái)這種信號(hào)就再也沒出現(xiàn)過，其他人想做類似的驗(yàn)證試驗(yàn)做不出來(lái)。那沒辦法，這種不能重復(fù)的就不算數(shù)，這招就不靈啊。這是20世紀(jì)50年代的事，引力波探測(cè)在這個(gè)時(shí)期是一點(diǎn)進(jìn)展都沒有的。 

韋伯的實(shí)驗(yàn)裝置

 到了20世紀(jì)70年代終于就出現(xiàn)了一點(diǎn)進(jìn)展，因?yàn)樵?0年代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了脈沖星，后來(lái)就發(fā)現(xiàn)脈沖星其實(shí)就是中子星，中子星的密度極高。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，就是兩個(gè)高密度的天體互相繞著轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)的速度非?？?，那么它們輻射出來(lái)的引力波就非常強(qiáng)大了，而且頻率高也好辨認(rèn)。出來(lái)混遲早要還的，能量總是守恒的，那一部分能量隨引力波輻射走了，那么脈沖雙星的總能量就要降低，既然能量降低，它們就會(huì)越靠越近越靠越近，最后撞到一起。那我們就來(lái)算算這兩顆星靠近要多少年啊，這周期有多少改變?。?974年美國(guó)的科學(xué)家泰勒和赫爾斯就算了一下，這兩顆星每年靠近多少呢？靠近3.5米，周期每年變慢76.5微秒，那它們倆要撞到一起需要花31年的時(shí)間。這看來(lái)誰(shuí)也等不到那年頭了，不過還好，這變化雖然小但也不至于測(cè)不出來(lái)，那就看看觀測(cè)的結(jié)果和計(jì)算結(jié)果是不是對(duì)的上號(hào)的。于是他們就花了30年時(shí)間來(lái)仔細(xì)觀察這對(duì)雙星，發(fā)現(xiàn)這觀測(cè)結(jié)果和廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果完全一致，這就是引力波的第一個(gè)靠譜觀測(cè)證據(jù)。這屬于間接證據(jù)，到后來(lái)的1993年，他們就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是因?yàn)樗麄儗?duì)脈沖雙星的研究。別人諾獎(jiǎng)委員會(huì)對(duì)引力波只字不提，畢竟那時(shí)候引力波還沒被直接觀測(cè)到，萬(wàn)一將來(lái)驗(yàn)證出來(lái)不靠譜怎么辦？萬(wàn)一將來(lái)有證據(jù)證明引力波不存在怎么辦？那只能提現(xiàn)成的貢獻(xiàn)，就說(shuō)你們倆對(duì)脈沖雙星的研究很出色，所以就把獎(jiǎng)給你們了。這事辦的算是很嚴(yán)謹(jǐn)，滴水不漏。萬(wàn)一以后發(fā)現(xiàn)了引力波，到時(shí)候諾獎(jiǎng)委員會(huì)還能把獎(jiǎng)給引力波，也不算把獎(jiǎng)給錯(cuò)人，所以這事是非常嚴(yán)謹(jǐn)了。而且就在20世紀(jì)90年代，人們開始換了一種方式來(lái)探測(cè)引力波，那就是用干涉儀了。這個(gè)前面有說(shuō)過，說(shuō)的是美國(guó)的大型激光干涉儀，一共兩臺(tái)，一臺(tái)在東海岸一臺(tái)在西海岸，這樣就可以消除誤差，而且有兩臺(tái)之后，根據(jù)時(shí)差還能算出來(lái)這引力波大致過來(lái)的方向。然后建了4公里長(zhǎng)的隧道，把隧道里抽成真空，抽到真空還不夠，這4公里長(zhǎng)度不夠怎么辦，總不能挖更長(zhǎng)的溝，那就在兩片鏡子之間讓激光來(lái)回反射了400次，這靈敏度就翻著倍往上升，這樣才能滿足精度需求，這就相當(dāng)于一個(gè)1600公里的光路了。工作了一段時(shí)間之后一無(wú)所獲，因?yàn)殪`敏度還是不夠，后來(lái)又花了好幾年時(shí)間來(lái)升級(jí)設(shè)備。 

 升級(jí)完設(shè)備剛開機(jī)，還在調(diào)試階段，設(shè)備哐一下來(lái)了個(gè)強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的濾波之后科學(xué)家注意力都集中上去了，這明顯就是一個(gè)震蕩信號(hào)啊。引力波信號(hào)來(lái)襲的時(shí)候會(huì)不斷拉伸扭曲激光的光路，這樣光路會(huì)不斷變長(zhǎng)縮短變長(zhǎng)縮短，哪怕變化只有一個(gè)質(zhì)子的1%它也能察覺到，所以在這次干涉儀就大顯神威，而且運(yùn)氣也是碰頭彩了。到了2015年9月14日，北京時(shí)間的17時(shí)50分45秒，在美國(guó)利文斯頓與漢福德的兩臺(tái)干涉儀就同時(shí)測(cè)到了一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)叫做GW150914，這說(shuō)白了就是引力波信號(hào)，15年9月14號(hào)就是這個(gè)事件的編號(hào)。從信號(hào)的波形上看非常完整，這就是倆天體，他倆越轉(zhuǎn)越快越轉(zhuǎn)越快，最后撞到一起了，合并成了一個(gè)更大的黑洞，而且這個(gè)更大的黑洞剛開始合并的時(shí)候距離還不太遠(yuǎn)，估計(jì)長(zhǎng)的像花生那樣，只要旋轉(zhuǎn)的的東西它不圓，那它就可以持續(xù)產(chǎn)生引力波，但這個(gè)引力波和先前兩個(gè)天體合并的時(shí)候產(chǎn)生的引力波是有區(qū)別的，這個(gè)痕跡在干涉儀接收到的波形上就能看出來(lái)。到最后這個(gè)黑洞變成了一個(gè)完整對(duì)稱的扁球，因?yàn)樗谵D(zhuǎn)所以它的球形是扁的，等到這時(shí)候引力波就消失了，因?yàn)橐粋€(gè)完整對(duì)稱旋轉(zhuǎn)的黑洞是不會(huì)產(chǎn)生引力波輻射的。這個(gè)黑洞就是科爾黑洞，也是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞，畢竟這倆雙星互相圍著轉(zhuǎn)，角動(dòng)量守恒，它倆撞一塊去了這角動(dòng)量就剩下黑洞在那接著轉(zhuǎn)，這一切都發(fā)生在0.2秒的時(shí)間之內(nèi)。一個(gè)36倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體和一個(gè)29倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體就這么吧唧一下合并了，瞬間輻射出的引力波包含的能量就達(dá)到三個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，瞬間輻射功率超過我們看到滿天繁星發(fā)出的光的總和，這三個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)完全變成能量輻射了出去，而且合并之前它們的速度達(dá)到了光速的0.6倍，對(duì)于這么大一個(gè)天體來(lái)說(shuō)有這個(gè)速度那是不得了的。我們?cè)诹Ｗ蛹铀倨骼锱莻€(gè)粒子，把粒子速度提升到光速的零點(diǎn)幾倍那并不稀奇，但是這么大個(gè)天體就特別稀奇了。這個(gè)干涉儀官方之前對(duì)這個(gè)事還一直遮遮掩掩好幾個(gè)月，各路小道消息傳的滿天飛，圈子里都在傳，但官方就死活不松口，其實(shí)就是怕發(fā)生這種烏龍事件。因?yàn)橹耙獯罄司汪[了一次烏龍事件了，說(shuō)發(fā)生了超光速事件，后來(lái)查了半天結(jié)果說(shuō)是什么網(wǎng)線插頭沒插好，這搞的面子往哪放？所以這個(gè)事肯定不能發(fā)生，官方也就非常謹(jǐn)慎對(duì)待了。這一折騰好幾個(gè)月，人們也都在外面小道消息傳，傳了半天才發(fā)布，已經(jīng)是板上釘釘?shù)氖铝瞬殴汲鰜?lái)，所以科學(xué)界都給這事高度評(píng)價(jià)。隨后在2015年12月26日，探測(cè)到了第二個(gè)引力波信號(hào)，叫做GW151226，并于2016年6月16日公布。 

GW151226

 之所以科學(xué)界給出這么高評(píng)價(jià)是因?yàn)檫@引力波很重要，那不僅僅是為了證明愛因斯坦老人家英明神武，總有神來(lái)之筆啊。首先，愛因斯坦老人家預(yù)言的引力波總算被發(fā)現(xiàn)了，這就進(jìn)一步說(shuō)明了廣義相對(duì)論的正確性。其次是有關(guān)黑洞的。以前我們總是推測(cè)，比如說(shuō)我們銀河系中心有個(gè)超大質(zhì)量黑洞，在那么小的范圍里有百億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量聚集在那，我們想來(lái)想去也想不出什么可能性，只有可能中間是個(gè)黑洞。但不管怎么樣這仍然只是個(gè)推測(cè)，它不是直接的，而這次直接觀測(cè)到兩個(gè)完全不發(fā)光的天體發(fā)生的這次碰撞這次合并，這次并不是靠電磁波，靠的是引力波這個(gè)新東西，所以這是天文觀測(cè)史上的一次革命。之前我們的目光是沒辦法穿透宇宙大爆炸迷霧的，因?yàn)橛钪嬖缙诓煌该髀?，直到大爆炸以?8萬(wàn)年中性原子才形成，中性原子形成之后光子才能自由的在宇宙中奔跑，然后才能被我們觀測(cè)到。那更早期的宇宙呢？更早期的宇宙我們現(xiàn)在并不能知道，而現(xiàn)在借助引力波我們就可以窺探到大爆炸的初始階段的真容，可以一直窺探到暴脹時(shí)期，那已經(jīng)是非?？拷钪娲蟊ǖ拈_端了。所以這就是引力波在觀測(cè)方面的意義，它在觀測(cè)方面有非常大的意義。那在理論方面又有什么意義呢？那就是既然有引力波，那就必定有引力子，能在真空里任意穿行的東西必定是符合波粒二象性的，也就是從微觀上講既是波又是粒子。光是電磁波，同時(shí)它也是光子，那么同樣的，引力波既然存在，那么引力子也必定存在。換句話說(shuō)，前輩們拼命努力想搞的引力場(chǎng)量子化是必定可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槲覀兊牡拇_確檢測(cè)到了引力波。既然有引力波就必定有引力子，這毫無(wú)疑問。 

 盡管到目前為止，各種引力場(chǎng)量子化的理論都還不完善，說(shuō)哪個(gè)哪個(gè)理論的都有，家家戶戶也都有自己的難處，但起碼大方向是對(duì)的，我們要走統(tǒng)一場(chǎng)，要把引力和其他力都統(tǒng)一起來(lái)，因?yàn)槠渌Χ伎梢越y(tǒng)一了，唯獨(dú)這個(gè)引力是個(gè)另類。但其實(shí)就連引力波本身的計(jì)算它就不完善，通過觀測(cè)手段就可以校正我們很多對(duì)引力波的計(jì)算，比如說(shuō)計(jì)算脈沖雙星引力輻射的時(shí)候那都是想出來(lái)的，啥陰招都用上了，什么牛頓力學(xué)啊廣義相對(duì)論啊量子場(chǎng)論啊輪著用，好多地方都不得不采取近似運(yùn)算。引力波運(yùn)算本來(lái)就很復(fù)雜，那可以說(shuō)是超級(jí)復(fù)雜了，現(xiàn)在傳到地球上我們能檢測(cè)出的引力波都是非常非常微弱的，這種非常微弱的引力波反而更好計(jì)算，它可以做線性近似運(yùn)算，那是很好辦的。如果是非常強(qiáng)的引力波反而一個(gè)頭兩個(gè)大了。如果我們碰到非常強(qiáng)的引力波那要怎么計(jì)算呢？那要怎么觀測(cè)呢？這根本不用操心，也沒工夫操心，因?yàn)橐錾戏浅?qiáng)的引力波，波長(zhǎng)非常短的引力波，那我們都被撕碎了，我們都沒必要去計(jì)算了，我們都完蛋了。  

那么關(guān)于引力波的一切就是如此，下一期我們要好好談?wù)勔粋€(gè)最抽象又最具體的事，那是有關(guān)時(shí)間的事。請(qǐng)看下回分解。