經驗在引力波探尋中的表現

呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009）

經驗在引力波探尋中的表現

呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009）

1916年6月，愛因斯坦在研究引力場方程的近視積分時，發現一個力學體系變化時必然發射出以光速傳播的引力波，由此提出了引力波理論。愛因斯坦逝世二十多年后，引力波被間接證明是存在的。2016年2月11日美國加州理工學院、麻省理工學院以及“激光干涉引力波天文臺(LIGO)”的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器于2015年9月14日探測到來自于兩個黑洞合并的引力波信號。引力波作為一個被理性預言了的客觀認識對象，遠遠超越了人類的經驗范圍，然而物理學發展的歷程表明，作為認識主體的人在科學研究過程中始終無法擺脫經驗的影響與制約，文章就經驗在引力波探尋中的表現進行了分析和探討。

愛因斯坦；經驗；引力波；非邏輯思維

無論是在生活中還是在科學理論的研究中，有一種不斷被人們使用的方法就是把難以理解的對象與已知的更容易理解的對象進行比較。譬如，物理學當中對模型的運用就是典型的例子。而模型的運用實際上就是把記憶當中的經驗重新提取出來的過程。因為無論一個物理學理論多么復雜和抽象，最終一定要通過一個具體的客體作為承載物，只有這樣才能得到別人的認可，同時也使自己心安理得。因為“只有那些原則上能被知覺想象出來的東西，才會真正被人們理解。”[1]394科學發展的歷程表明，不論是面對能夠被人類的經驗直接感知的認識對象還是超越經驗的認識對象，我們都沒有辦法與經驗完全割裂開，下面看看經驗在引力波探尋當中的表現。

一

波或波動作為一種擾動或信息在空間上傳播的一種物理現象，人們最早是通過機械波獲得認識的。一提到波我們的腦海立即幻化出水波的圖像，經驗告訴我們，它們作為機械波，其產生的兩個所必須具備的條件就是波源和波賴以傳播的媒介。正因如此，當麥克斯韋通過他的電磁場理論預言了電磁波的存在并被赫茲通過實驗證實之后，人們馬上考慮的一個問題就是電磁波是通過什么介質向外傳播的，而不是考慮電磁波需要不需要傳播的介質的問題。這就是經驗使得人們不自覺地從潛意識當中把后一個問題忽略了。因為經驗使得人們無法想象缺少介質的波怎么可以向外傳播的。于是，人們開始尋思究竟哪一種物質最適合充當其賴以傳播的媒介，結果尋遍我們經驗能夠直接感知的所有的客體之后，發現沒有一個是合適的。最后只好把這一角色賦予了由古希臘哲學家亞里士多德（Aristotle,BC384～BC322）想象出來的第五元素“以太”。以太被人們想象成一種十分堅硬的剛性的粒子，即使是金剛石這種最硬的物質的硬度也無法與其相比；同時以太又是一種如此稀薄，以致物質在穿過它們時幾乎完全不受到任何阻力的“物質”；而且，以太又是絕對靜止的，實際上在某種情況下人們把以太與牛頓的絕對空間等同起來了。以太這種被人們想象出來的作為電磁波賴以傳播的絕對靜止的介質觀念，在當時的絕大多數的科學哲學家們頭腦中是如此地根深蒂固，從而使得一大批物理學家們企圖通過理論和實驗去尋找和證實。于是才有了1887年邁克耳孫和莫雷實驗的零結果，也就是被人們稱之為世紀之交飄蕩在物理學天空上的第一朵烏云。實驗結果實際上證明了光速不變原理，即真空中光速在任何參考系下具有相同的數值，與參考系的相對速度無關，以太其實并不存在。盡管愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）一直規避邁克耳孫-莫雷實驗的零結果對其光速不變原理的確立所產生的影響，當年美國俄亥俄州克利夫蘭開斯工學院物理學教授香克蘭（R·S·Shankland）曾就此問愛因斯坦，愛因斯坦說過這樣的話：“這可不是那么容易回答的，我搞不清楚我第一次聽到邁克爾遜實驗是在什么時候。我并沒有意識到，在相對論成為我的生活的那七年中間，它曾經直接影響過我。我以為我正是理所當然地認為相對論是正確的。”[2]561但是，愛因斯坦同時又說，在1905～1909年間，在他同羅倫茨等人討論廣義相對論的想法時，對邁克爾遜的結果想得很多。可見，完全否認邁克耳孫-莫雷實驗的零結果對愛因斯坦建立相對論的作用是不符合實際情況的。

二

引力波與電磁波相類似，也是一種完全超越了人類直接經驗的客觀認識對象，1916～1918年，愛因斯坦將引力場方程在離引力源較遠的地方作線性化近視處理，得到了一個波動方程，據此，愛因斯坦預言可能有引力波從物質發出，且以光速傳播，許多加速運動的物體都可以發射引力波。

有人說愛因斯坦求得引力場方程的一個特解，該解的黎曼曲率張量分量為周期函數：即黎曼曲率張量分量的周期性變動在時空中的傳播，因而愛因斯坦想到了經典物理學中的波動方程，并仿照機械波的提出方式預言了引力波的存在。這是有一定道理的。縱觀愛因斯坦的思維方式，我們會發現愛因斯坦慣用的方法就是，首先對其面對的客觀認識對象進行整體把握，就是所謂的構建一個“思想實驗”情景，然后才進入邏輯推理。而“思想實驗”的建立就是在經驗準確地說是在視覺化經驗的提示下完成的，無論是狹義相對論還是廣義相對論都如此。因為愛因斯坦認為：“物理學家的最高使命是要得到那些普遍的基本規律，由此世界體系就能用單純的演繹法建立起來。要通向這些定律，并沒有邏輯的道路；只有通過那種以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺，才能得到這些定律。”[2]102當然，愛因斯坦一直強調理性在物理學理論的建立當中的重要作用，但是，同時他也認為僅僅依靠理性是不夠的，就像他說的那樣：“要走向理論的建立，當然不存在什么邏輯的道路，只能通過構造性的嘗試去摸索，而這種嘗試是要受支配于對事實知識的慎密考查的。”[2]567因為“要是人們要徹底地不違反理性，那就不可能得到任何東西；也就是說：要是不用任何支架，那就不可能建造房子，也不可能架設橋梁，但是支架卻不是房子或橋梁的任何組成部分。”[2]572基于廣義相對論愛因斯坦曾經作出過三項預言：光線在太陽引力場中的彎曲、水星近日點的進動規律和光譜線在引力場中的紅移現象。這三項預言都先后得到了證實。但是，自從通過廣義相對論預言可能存在引力波以來，雖然人們在地球上建造了許多探測宇宙引力波的實驗裝置，好長一段時間以來，卻均未捕捉到有關引力波的可靠信號，因為引力波的信號實在是太微弱了。但是，從經驗出發，人們相信愛因斯坦肯定是正確的，所以，探尋的熱情從來沒有低落過。

1967年，英國天文學家休伊什(Antony·Hewish,1924-)和他的學生貝爾（Jocelyn ·Bell·Burnell，1943-）發現了第一個脈沖星（PSR1919+21），具有短周期脈沖輻射的新型恒星。休伊什由于在脈沖星的發現中起了決定性作用而獲得1974年諾貝爾物理學獎[3]。

1974年，美國新澤西州普林斯頓大學的赫爾斯（Russell·A·Hulse，1950-）和小約瑟夫泰勒（Joseph H·Taylor·Jr，1941-）用西印度群島波多黎各的300 m射電望遠鏡發現了一種新型脈沖星——脈沖雙星。引起了全世界的轟動。他們的發現之所以重要，不僅是第一個，最主要的這是一個軌道橢率很大的雙中子星系統，成為驗證廣義相對論預言的引力波是否存在的空間實驗室。由此赫爾斯和泰勒獲得了1993年諾貝爾物理學獎[4]。

2016年2月11日美國加州理工學院、麻省理工學院以及“激光干涉引力波天文臺(LIGO)”的研究人員宣布，他們利用LIGO探測器于2015年9月14日探測到來自于兩個黑洞合并的引力波信號[5]。

引力波的發現意味著對宇宙微波背景輻射的測量將會進入下一個重要里程碑，讓宇宙學家更好地了解大爆炸初期發生了什么，可以說為宇宙天文學研究開啟了一個新的領域。

三

事實證明，在物理學理論的探索和選擇中，物理學家作為具有視覺、聽覺等感覺器官的認識主體，要想擺脫經驗的影響和左右是非常艱難甚至是不可能的，把認識主體熟悉的感覺經驗帶入所面對的陌生的客觀認識對象是物理學家經常使用的研究方法。因為“科學家也同藝術家一樣，通過創造形象來對他生活的外在世界和人類內心世界進行解釋。當然，創造感性形象并不是一個科學家所做的唯一的事情。一個物理學家、生物學家或一個社會學家，要花費大量精力和時間來收集材料，檢驗它們的有效性，對它們進行測量和計算，以便驗證自己的預言和假設。”[1]367同時，我們人類所運用的語言也總是不斷地把視覺化的經驗帶入物理學家的潛意識當中。所有這一切就使得物理學家在物理學理論的探索當中不斷地與經驗發生著這樣或那樣的聯系。總覽人類對宇宙模型的認識和構造，我們會發現無論是古希臘和中國古代的學者，還是今天工作在大型的超級計算機等現代化的先進的探測設備旁邊的科學家們，誰都無法擺脫經驗的影響，盡管經驗是有局限性的，是可錯的。用愛因斯坦的話說“……我們必須接受這樣的觀點，說自然界中的事件是象碰運氣的賭博那樣的。”[2]394這是由人的本性決定的。我們需要思考的是應該以怎樣的態度面對這一切，特別是今天當人類面對的客觀認識對象離我們的經驗越來越遠的情況下，尤其如此。

[1](美)魯道夫·阿恩海姆.視覺思維[M].滕守堯,譯.成都：四川人民出版社，1997.

[2](美)愛因斯坦.愛因斯坦文集(第一卷)[M].許良英,李寶恒,趙中立等,譯.北京：商務印書館,1976.

[3]李麗.時空向度的現代探索[M].重慶：重慶出版社,2006.

[4]吳鑫基,溫學詩.諾貝爾獎百年鑒[M].上海：上海出版社,2001.

[5]徐仁新.首次測到引力波 [J].物理，2016,45（3）：195.

〔責任編輯 高海〕

Performance of the Experience in the Search for Gravitational Waves

LV Shi-ru
(School of Physics and Electronics Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

Einstein found out that Mechanical systems would inevitably emit gravitational waves propagating at the speed of light when he did the research of Approximate integral equations of the gravitational field in the June of 1916.Then he put forward the theory of gravitational waves.After twenty years later from Einstein dying,Gravitational waves have been proved right.In 11th,Feb of 2016,reseachers in California Institute of Technology,Massachusetts Institute of Technology as well as"LIGO(LIGO)"announced that they detected gravitational wave signal from the merger of two black holes using LIGO detectors.As the object predicting by rational and objective understanding thought,Gravitational waves are far beyond the scope of human experience.However,development history of physics shows that human can never get rid of the influence and restrict of experience who act as subject of Recognizing during doing scientific research.This article discussed performance of experience in the search for gravitational waves.

Einstein;experience;gravitational waves;illogical thinking

TP301

A

1674-0874(2016)03-0094-03

2016-03-10

呂仕儒（1963-），男，山西懷仁人，碩士，副教授，研究方向：科學技術史。