愛因斯坦與引力波發現的科學逸聞三則

何桂明+黃明超

摘 要：愛因斯坦預言引力波的存在，一百年后被科學觀測證實.論文梳理了與愛因斯坦廣義相對論和引力波發現有關的三則科學逸聞，強調塑造真實可信的科學歷史，避免學生產生刻板的科學家形象.

關鍵詞：愛因斯坦；引力波；相對論；科學家形象

2016年2月11日，中國農歷新年期間，遙遠大洋彼岸的美國，一則科學新聞引發國內科技界與公眾的高度關注.美國國家科學基金委員會宣布，首次利用高級激光干涉儀引力波探測器，發現引力波存在的直接證據[1].科學家表示，這是一幅奇妙的宇宙圖景：兩顆黑洞的初始質量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成一顆62倍太陽質量且高速旋轉的黑洞，虧損的質量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經過13億年的漫長旅行，最終抵達地球，被人類靈敏的“耳朵”接收和測聽.

“忽如一夜春風來”，引力波新聞迅速占據國內主流媒體的重要版面，各大新媒體平臺用文字、視頻、動畫等方式，通過微博、微信、論壇等渠道，進行引力波的全方位解讀，形成多年來少見的一次科普傳播熱潮.作為非專業領域的研究人員，普通公眾對深奧莫測的引力波，其實是“只聞其名，不明其意”.之所以有如此廣泛的社會關注度，很大程度與科學偉人愛因斯坦有關.盡管已經離世61年，愛因斯坦與他標志性的相對論理論，借助引力波的強力推動，再次回到公眾的視野中.

1 廣義相對論的靈感火花閃現

1905年被譽為“愛因斯坦奇跡年”，愛因斯坦連續發表光量子說、分子大小測定法、布朗運動理論、狹義相對論等重要論文，開啟現代物理學的新篇章.不過，此后幾年間，愛因斯坦依舊是瑞士伯爾尼專利局默默無聞的專利審查員.正如牛頓被樹上掉落的蘋果砸中，啟發研究物體的自由落體運動，最終創立萬有引力學說，愛因斯坦的廣義相對論和引力波的靈感產生也有一段科學逸聞.

1922年，愛因斯坦回憶廣義相對論的創立時說：“1907年底某一天，突破口突然找到了.當時我正坐在伯爾尼專利局辦公室里，腦子里突然閃現了一個念頭：如果人正在自由下落，他決不會感到他有重量.我很震驚，這個簡單的理想實驗給我的印象太深刻了，它把我引向引力理論.”[2]正是這一絲稍縱即逝的靈感火花，觸發了愛因斯坦“一生中最幸福的思想”：想象自由落體者處在一個密閉空間中，比如一部自由墜落的升降機，他會感到失重，拋出的任何物體都會與他一起漂浮.他將無法通過實驗來辨別，自己所處的密閉空間是做自由落體運動，還是在外太空的無重力區域漂浮，這是科學史上著名的“愛因斯坦電梯實驗”的最初來源[3].

隨后，愛因斯坦想象這個人仍在同一個密閉空間里，處于沒有重力的外太空中.此時有一個恒力將密閉空間以某一加速度向上拉升，他會感到自己的腳被壓到地板上.如果拋出一個物體，物體將會以加速運動落在地板上，就如同他站在地球上一樣.他無法區分自己是受到引力的作用，還是受到向上加速度的作用，愛因斯坦稱為“等效原理”.

等效原理是廣義相對論的第一個基本原理，由于慣性質量同引力質量相等，引力場對物體施加的作用，無法與加速運動產生的效果區分開來.1915年，時年36歲的愛因斯坦達到科學事業的巔峰，提出廣義相對論，改變我們對宇宙的理解.他感到從未有過的幸福，宣稱“我最大的夢想已經實現”.四十年后，另外一則科學逸聞，可以佐證他對等效原理的偏愛.

2 等效原理和愛因斯坦生日禮物

1955年3月14日，愛因斯坦的76歲壽辰，普林斯頓大學艾瑞克·羅杰斯教授送給老人一件看似簡單的生日禮物.這個禮物用一個重球，一根彈簧，一根銅窗簾棍和其他常見的東西構成.銅球系于繩的一端，懸掛在一個金屬杯之外，球可以貼切地置于杯上.繩穿過杯中一個小洞，然后通過管子連在彈簧上.裝置固定在銅棍的一端，可以輕易地把它拿在手中.最后杯和球封閉在透明的玻璃球中.由于彈簧太軟，不足以克服小球的重力，球只能掛在杯的外面.

同年4月3日，星期天上午，科學史專家科亨登門拜訪愛因斯坦，在長達兩個半小時的訪談中，愛因斯坦評述了物理學史上著名人物及其貢獻.當墻上的掛鐘指向12點半時，科亨起身準備告辭，意猶未盡的愛因斯坦帶著幾分神秘的語氣，向他展示這件引以為傲的生日禮物（圖1）.科亨寫道：最后我要告別了.忽然愛因斯坦轉過身說：“等一等，等一等.我要給你看一件生日禮物.”回到書房后，我看到愛因斯坦從屋角拿出5英尺長的像窗簾棍似的東西，在它的頂端有一個直徑約為4英寸的塑料球.愛因斯坦說：“你看，這是設計來演示等效原理的模型.” 愛因斯坦的臉上布滿了笑意，他的眼中閃爍著快樂的光輝，他說：“現在你來看等效原理.”他握住長銅棒的中間，將它舉起直到球碰到天花板.

他說：“我現在讓它落下.根據等效原理，球應該不受重力，這時彈簧的強度就足以將小球拉到塑料管的頂端.忽然讓玩具自由垂直落下，并用手護著它，直到它的底部落到地板上.塑料球現在和眼睛在同一高度，可以看到小球正在塑料管的頂端.”[4]“愛因斯坦生日禮物”讓他回想起一生中最快樂的時光，他對引力的探索和研究，應用等價原理理解星體和星系如何在彎曲的宇宙中運行，計算宇宙中的質量如何彎曲空間和時間，得到宇宙的結構[5].

3 引力波研究的曲折歷史

引力波發現被譽為一項劃時代的科學成就，打開人類觀測宇宙的一個新窗口，有助于研究宇宙的起源和進化.1916年，愛因斯坦論證引力的作用以波動的形式傳播.引力波最初只是一個理論構想，來源于方程式的推導，而非真實的實驗觀察.愛因斯坦認為，引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略，無法被探測到.

1936年6月1日，《物理評論》編輯部收到由愛因斯坦和羅森署名的一篇來稿，稿件的標題為“引力波存在嗎？”此前，愛因斯坦寫信給他的同事馬克斯.波恩，“我和一個年輕的合作者一起得到了有趣的結論，引力波不存在，盡管在一級近似下它們被認為確實存在.”面對這位科學大師的來稿，編輯部如獲至寶，認為這是一件莫大的榮幸.編輯部按照一貫的審稿規則， 6月7日將稿件送給審稿人審查.7月17日，審稿人寄回長達十頁的審稿意見，認為稿件有嚴重錯誤，必須修改.7月23日，編輯部致函愛因斯坦，信中寫到：“親愛的愛因斯坦教授：謹將你和羅森博士投遞本刊的稿件隨同審稿人的意見一并寄回.在發表你的文章之前，希望看到你對審稿人對你們稿件所作的各種評論和批評的反應.”

自我感覺良好的愛因斯坦顯然沒有預料到這場意外，接到這封充滿善意的建議信，他失去了往常的溫文爾雅的大師風度.7月27日，他懷著一腔惱怒之火，給編輯部寄去一封火藥味十足的抗議信，信件用德文寫道：“親愛的先生：我和羅森博士曾將我們的稿件寄給你發表，但我們并未授權你在該文印出前拿給任何專家看.我覺得我沒有任何理由去回答那位匿名專家的評論，況且評論是錯誤的.鑒于此事件，我寧肯在別處發表這篇文章.” 面對這位科學權威的發難，《物理評論》編輯部依舊堅守原則，把稿件退回.愛因斯坦將稿件投往另外一家不太著名的學術刊物，1937年1月《富蘭克林研究所雜志》刊登這篇論文.慶幸的是，當愛因斯坦的頭腦冷靜下來，重新審視自己的研究論文，發現其中一處錯誤.他很快糾正這個錯誤，論文的標題也戲劇性地改成《論引力波》，肯定了引力波的存在，也算是科學史的一件趣聞[6].

“人非圣賢，孰能無過.”愛因斯坦在自己最擅長的相對論領域，也犯過其他一些錯誤.1916年，他構建引力在廣義相對論中起作用的理論，在方程式中引入宇宙學常數.由于他固守靜態宇宙的哲學信念，認為宇宙學常數抵消了宇宙中引力收縮的趨勢.不久，天文學家發現宇宙膨脹的證據.1936年，愛因斯坦在《科學》雜志發表一篇文章，詳細解釋“恒星讓通過引力場的光線發生偏差的類似透鏡的效應”，也就是引力透鏡效應.愛因斯坦只考慮恒星的透鏡效應，沒有想到星系，認為沒有直接觀測到這個現象的希望，如今引力透鏡效應已經成為科學家繪制宇宙圖譜最有用的技術之一.

4 引力波新聞的后感

理解和學習科學被不少學生當做一件頭疼的事，科學家作為知識分子的精英群體，更被視為智慧和真理的化身.這次引力波傳播事件，不少媒體強調突出愛因斯坦的歷史作用，有媒體冠以“跨越百年的愛因斯坦禮物”等標題.如此片面渲染科學發現的個人英雄主義，忽視科學家團隊的集體與合作精神，削弱了科學家的人性形象，無形中使學生對科學與科學家敬而遠之.愛因斯坦對此有清醒的認識，他曾經說：“我沒有特別的天賦，我只有強烈的好奇心.”“我從事科學研究完全是出于一種不可遏制的想要探索大自然奧秘的欲望，別無其他動機.”“我有時自問，怎么偏偏是我創立了相對論呢？我認為其原因如下：一個正常的成年人不見得會去思考空間和時間問題.他會認為這個問題早在孩童時代就搞清楚了.我則相反，智力發展得很慢，成年以后才開始思考空間和時間問題.很顯然，我對這些問題比兒童時期發育正常的人想得更深.”

參考文獻：

[1]朱宗宏，王運永.引力波的預言、探測和發現[J]物理，2016，5：300-310.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M]. 北京：清華大學出版，1993.

[3]愛因斯坦文集[M].北京： 商務印書館，1979 ，175.

[4]I.Bernard Cohen.An Interview with Einstein[J].Scientific American，No 193（July 1955）：68-73.

[5]徐一鴻， 愛因斯坦的宇宙——老人的玩具[M]. 北京： 清華大學出版社，2004 ，41.

[6]劉寄星. 愛因斯坦和同行審稿制度的一次沖突[J]物理， 2005，7： 487-490.