引力波和它的社会学及不确定性

　　江晓原

　　发现“原初引力波”的科学社会学

　　2014年3月，一个美国科学家团队BICEP2宣布他们发现了宇宙的“原初引力波”，一时间赞誉之声迭起，以为将要“揭示宇宙诞生之谜”了。谁知不到一年，这个团队又宣布“那个发现是一个错误”。有趣的是，如此狗血的剧情，居然让有的中国科学家“唏嘘不已”——原因是“中国连想犯这样错误的机会都没有”。美国人就是犯了一个错误，也能够让我们的科学家艳羡不已，这就是软实力啊!

　　去年BICEP2宣布发现原初引力波，国内媒体纷纷跟进报导，科学家纷纷对媒体谈论这一发现的“重大意义”，认为它是“一个诺贝尔奖级别的重大发现”。当时我居然做了一回“事前诸葛亮”，有点先见之明地对媒体表示，对于这类“重大发现”，不要急于跟进报导，应该再观察一段时间，至少看看国外科学共同体的反应，再做判断。记得当时记者问我为什么，我告诉她，对于引力波这种玩意儿来说，什么叫“发现”?这和你在桌子上发现一个茶杯根本不是一回事。这些科学家此时所使用的“发现”一词，根本不是我们通常所认为的那种意义——这背后涉及一系列科学的不确定性。

　　不过我们先不忙谈论科学的不确定性，不妨先谈一点引力波的“庸俗社会学”。

　　其实，早在1969年，美国物理学家韦伯(J. Weber)就曾宣称，他已经探测到来自银河中心的引力波，不过这个发现一直未能得到物理学界的公认。此后物理学家探测引力波的尝试，也一直时断时续地进行着，然而因为长期没有突破，这方面的工作逐渐被边缘化，颇受冷落。所以搞引力波的物理学家们很需要一次重回闪光灯下的公众话语争夺，2014年3月的高调宣布发现“原初引力波”，乃至今年年初再宣布“那是一个错误”，都可以理解为这样的争夺努力。

　　这两次努力的效果看来不错，最近媒体报导说，在这样两次宣布之后，“不仅没有影响BICEP2升级之后的下一代望远镜BICEP3继续获得经费支持，而且使国际上关于原初引力波的期待更加热切”了。哈哈，这就是“犯错误”的美妙之处!

　　引力波之前世今生

　　“引力波”的概念，1918年由爱因斯坦提出，但至今还没有得到验证。在1970年代出现有关引力波存在的间接证据之前，许多物理学家对引力波的存在持怀疑态度，此后的主要工作方向则集中到探测手段上了。韦伯当属引力波探测方面最重要的人物之一，在他已算相当经典的著作《广义相对论与引力波》(General Relativity and Gravitational Waves，1961)中，他认为“引力辐射问题一直是广义相对论的中心问题之一”。1966年他在马里兰大学建造了第一个引力波探测器。

　　要理解引力波，就不能不从引力谈起。但是“引力”其实是一个非常玄的概念。

　　牛顿给出了引力的数学描述，这就是大家熟知的万有引力理论。但是许多人没有注意到的是，牛顿既没有成功解释引力的原因，也没有讨论引力是如何传播的。按照当代著名物理学家费曼(R. P. Feynman)的意见，“牛顿对此没有做任何假设;他只满足于找出它(引力)做什么，而没有深入研究它的机制。从那时以来，没有人给出过任何成功的机制。”尽管牛顿在私人信件中涉及过这一话题，例如在1678年2月28日致玻义耳(R. Boyle)的信中，他提出过一个关于引力原因的“猜测”——当然物理学发展的历史表明这个猜测也是不成功的。至于引力的传播，费曼认为“按照牛顿的看法，引力效应是瞬时的”，这也就是通常所说的“超距作用”，即认为引力是以无穷大速度传播的。而事实上，一旦传播速度为无穷大，也就从根本上消解了“传播”这个问题本身。

　　其实，牛顿的同时代人已经清楚意识到了这一点。在《伊萨克·牛顿爵士颂词》(Eloge de M. Neuton)中，法国皇家科学院常任秘书丰特奈尔(Fontenelle)写道：“不知道引力由什么构成。牛顿爵士本人对此略而不论。……他非常直率地宣称，他只是作为一个他不知道的原因提出这种吸引，他只考虑、比较并计算这种吸引的效应;……然而这些原因确实是隐蔽的，他留给其他哲学家去探索。”

　　问题是，牛顿身后两百多年，始终没人在这个问题上探索出任何名堂来，直到爱因斯坦提出相对论。在爱因斯坦的宇宙图景中，“光速极限”是一个基本假定——宇宙间没有任何物质或信息能够以高于光速的速度移动或传播。这样一来，牛顿“超距作用”的引力就是不被允许的概念了。只有在“光速极限”的假定之下，“引力传播”才能构成一个问题。爱因斯坦相信引力也是以光速传播的。这里有一个有趣的类比：当年麦克斯韦提出电磁理论，就预言了电磁波的存在：加速运动的电荷会产生以光速传播的电磁波。现在爱因斯坦也预言了引力波的存在：加速运动的物体会产生以光速传播的引力波。

　　江晓原

　　发现“原初引力波”的科学社会学

　　2014年3月，一个美国科学家团队BICEP2宣布他们发现了宇宙的“原初引力波”，一时间赞誉之声迭起，以为将要“揭示宇宙诞生之谜”了。谁知不到一年，这个团队又宣布“那个发现是一个错误”。有趣的是，如此狗血的剧情，居然让有的中国科学家“唏嘘不已”——原因是“中国连想犯这样错误的机会都没有”。美国人就是犯了一个错误，也能够让我们的科学家艳羡不已，这就是软实力啊!

　　去年BICEP2宣布发现原初引力波，国内媒体纷纷跟进报导，科学家纷纷对媒体谈论这一发现的“重大意义”，认为它是“一个诺贝尔奖级别的重大发现”。当时我居然做了一回“事前诸葛亮”，有点先见之明地对媒体表示，对于这类“重大发现”，不要急于跟进报导，应该再观察一段时间，至少看看国外科学共同体的反应，再做判断。记得当时记者问我为什么，我告诉她，对于引力波这种玩意儿来说，什么叫“发现”?这和你在桌子上发现一个茶杯根本不是一回事。这些科学家此时所使用的“发现”一词，根本不是我们通常所认为的那种意义——这背后涉及一系列科学的不确定性。

　　不过我们先不忙谈论科学的不确定性，不妨先谈一点引力波的“庸俗社会学”。

　　其实，早在1969年，美国物理学家韦伯(J. Weber)就曾宣称，他已经探测到来自银河中心的引力波，不过这个发现一直未能得到物理学界的公认。此后物理学家探测引力波的尝试，也一直时断时续地进行着，然而因为长期没有突破，这方面的工作逐渐被边缘化，颇受冷落。所以搞引力波的物理学家们很需要一次重回闪光灯下的公众话语争夺，2014年3月的高调宣布发现“原初引力波”，乃至今年年初再宣布“那是一个错误”，都可以理解为这样的争夺努力。

　　这两次努力的效果看来不错，最近媒体报导说，在这样两次宣布之后，“不仅没有影响BICEP2升级之后的下一代望远镜BICEP3继续获得经费支持，而且使国际上关于原初引力波的期待更加热切”了。哈哈，这就是“犯错误”的美妙之处!

　　引力波之前世今生

　　“引力波”的概念，1918年由爱因斯坦提出，但至今还没有得到验证。在1970年代出现有关引力波存在的间接证据之前，许多物理学家对引力波的存在持怀疑态度，此后的主要工作方向则集中到探测手段上了。韦伯当属引力波探测方面最重要的人物之一，在他已算相当经典的著作《广义相对论与引力波》(General Relativity and Gravitational Waves，1961)中，他认为“引力辐射问题一直是广义相对论的中心问题之一”。1966年他在马里兰大学建造了第一个引力波探测器。

　　要理解引力波，就不能不从引力谈起。但是“引力”其实是一个非常玄的概念。

　　牛顿给出了引力的数学描述，这就是大家熟知的万有引力理论。但是许多人没有注意到的是，牛顿既没有成功解释引力的原因，也没有讨论引力是如何传播的。按照当代著名物理学家费曼(R. P. Feynman)的意见，“牛顿对此没有做任何假设;他只满足于找出它(引力)做什么，而没有深入研究它的机制。从那时以来，没有人给出过任何成功的机制。”尽管牛顿在私人信件中涉及过这一话题，例如在1678年2月28日致玻义耳(R. Boyle)的信中，他提出过一个关于引力原因的“猜测”——当然物理学发展的历史表明这个猜测也是不成功的。至于引力的传播，费曼认为“按照牛顿的看法，引力效应是瞬时的”，这也就是通常所说的“超距作用”，即认为引力是以无穷大速度传播的。而事实上，一旦传播速度为无穷大，也就从根本上消解了“传播”这个问题本身。

　　其实，牛顿的同时代人已经清楚意识到了这一点。在《伊萨克·牛顿爵士颂词》(Eloge de M. Neuton)中，法国皇家科学院常任秘书丰特奈尔(Fontenelle)写道：“不知道引力由什么构成。牛顿爵士本人对此略而不论。……他非常直率地宣称，他只是作为一个他不知道的原因提出这种吸引，他只考虑、比较并计算这种吸引的效应;……然而这些原因确实是隐蔽的，他留给其他哲学家去探索。”

　　问题是，牛顿身后两百多年，始终没人在这个问题上探索出任何名堂来，直到爱因斯坦提出相对论。在爱因斯坦的宇宙图景中，“光速极限”是一个基本假定——宇宙间没有任何物质或信息能够以高于光速的速度移动或传播。这样一来，牛顿“超距作用”的引力就是不被允许的概念了。只有在“光速极限”的假定之下，“引力传播”才能构成一个问题。爱因斯坦相信引力也是以光速传播的。这里有一个有趣的类比：当年麦克斯韦提出电磁理论，就预言了电磁波的存在：加速运动的电荷会产生以光速传播的电磁波。现在爱因斯坦也预言了引力波的存在：加速运动的物体会产生以光速传播的引力波。

　　到底什么是“发现”?

　　不过，引力波非常微弱，需要那个辐射出引力波的物体质量非常之大，才有可能被探测到。物理学家考虑作为引力波辐射源的对象，大致有如下5种——注意排列顺序是一个比一个更玄：

　　1、恒星中的双星系统。这是最“常规”的想法，两颗有着巨大质量的恒星相互绕转，可以辐射出引力波。

　　2、超新星爆发。物理学家们推测，在一次超新星爆发中，可能会有1%的能量以引力波的形式释放。

　　3、脉冲星。这是超新星爆发后的产物，它的引力波辐射强度比超新星爆发要弱得多，只是它可以持久，而超新星爆发是短暂的。

　　4、黑洞的形成或碰撞。物理学家相信，巨大质量的引力坍缩形成黑洞时，或两个黑洞碰撞时，都可以辐射出极强的引力波。

　　5、宇宙大爆炸。在物理学家的想象中，大爆炸生成宇宙时，会有极大的能量转化为引力波，这样的引力波仍有可能残留在今天的宇宙中，即所谓的“原初引力波”。

　　韦伯设计的引力波探测器，是一根用细丝悬吊着的粗矮铝制圆柱，置于密闭的真空环境中，俗称“韦伯棒”。其理论依据是：引力波传播引起的空间移动，会使铝柱产生应变，而连接在铝柱质心处的精密压电晶体可以可以探测到这种效应。这个想法听上去还有点“看得见摸得着”的样子。后来物理学家开始应用激光干涉仪来探测引力波，这时“噪声”问题开始突显出来，如何将各种来源的噪声和希望探测到的引力波信号分离开，成为棘手的问题。这两个方案都没有探测到任何引力波。

　　在大爆炸宇宙理论中，大爆炸留下了“背景辐射”，这个宇宙背景辐射后来用射电望远镜探测到了，成为大爆炸宇宙理论的重要验证之一。这回宣称发现“原初引力波”的研究项目，就是试图用射电望远镜在宇宙背景辐射中“发现”引力波的踪迹。

　　到这里，科学的不确定性就跑出来了。这时的所谓“发现”，是建立在一系列理论假设、仪器测量、数据解读的长长链条末端的，而这个链条中的任何一个环节，都可能是有疑问的，都可能出问题。现代科学最前沿的“发现”，比如这次的“原初引力波”，或者前些时候甚嚣尘上的“上帝粒子”，都是建立在这样的链条末端的。

　　这次“发现原初引力波”的故事是这样的：BICEP2团队的科学家打算在宇宙背景辐射中探测某种细微的“卷曲偏振结构”，结果一片银河系中的尘埃误导了他们——你没听懂是吗?不要紧，我也没搞懂，我们只要知道他们至少在数据解读环节犯了错误即可。