时空的乐章——引力波百年漫谈四-中国物理C.PDF

物理知识 时空的乐章——引力波 百年漫谈( 四) 卢昌海 七、拯救大兵爱因斯坦 这是一个相当出人意料的结果。尽管引力波 的存在远非当时的实验或观测所能验证，但从我们 我们迄今介绍的引力波研究都是近似研究，基 前几节的介绍中不难看出，它不仅“在初级近似下 本理论框架未超出爱因斯坦1918年的原始论文《论 被确信过”，而且称得上是引力的非瞬时传播及广 引力波》(具体参阅第四、五两节) 。跟某些其他领域 义相对论时空描述的必然推论。而现在，爱因斯坦 注重严格解不同，引力波由于只在天文体系，且往 这位广义相对论的奠基者兼引力波先驱居然亲自 往是相当极端的天文体系中才有被探测到的希望， 宣称引力波“其实却并不存在”，实在很出人意料。 而那样的体系具有高度的复杂性，无法满足严格解 爱因斯坦为何会得出如此出人意料的结果 所要求的苛刻条件，因此引力波的严格解在很长的 呢？很不幸，如今只能通过间接资料来推测了，因 时间里对物理学家来说是个冷门。 为那篇论文的原始版本，如我们即将看到的并未发 不过例外总是有的。1936年，已落户普林斯顿 表，且很可能已不复存在。但不幸中的大幸是：从 高等研究院的爱因斯坦就亲自展开了对引力波严 爱因斯坦的书信、合作者的回忆，以及后续论文等 格解的研究。 诸多资料中可以作出相当有把握的“复盘”。原来， 那项研究是跟他的助手、美国物理学家罗森 爱因斯坦和罗森所研究的严格解是平面引力波的 ① (N. Rosen)合作进行的 ，其最出名的地方不在于研 严格解，但在求解过程中遇到了所谓的“奇异性” 究本身的重要性，而是发表过程的戏剧性。 (singularity) ，即度规张量的某些分量发散或无法确 那项研究完成后，爱因斯坦和罗森将之写成一 定。更糟糕的是，“奇异性”出现的地方是真空，从 篇题为《引力波存在吗？》(Do Gravitational Waves 而得不到任何物理缘由的支持。爱因斯坦和罗森 Exist?) 的论文寄给了美国学术刊物《物理评论》 据此断定平面引力波的严格解不存在，并继而认为 (Physical Review) ，后者于6 月1 日收到论文。论文 ② 引力波不存在 。 中写了什么呢？爱因斯坦在给德国物理学家玻恩 爱因斯坦和罗森的那篇论文并非爱因斯坦初 (M. Born)的一封信中作了披露： 次与《物理评论》打交道。自20 世纪30 年代起，随 与一位年轻合作者一同，我得到了一个有趣的 着欧洲政治局势的日益严峻，爱因斯坦在论文发表 结果，那就是引力波尽管在初级近似下被确信过， 上渐渐“脱欧入美”，《物理评论》则差不多是美国刊 其实却并不存在。这显示出非线性的广义相对论 物中他的首选，他此前不久完成的两项重要研究 波动场方程所能告诉——或者毋宁说限制——我 ——即著名的“EPR 佯谬”(EPR paradox)和“爱因斯 们的比我们迄今以为的还要多。 坦-罗森桥”(Einstein-Rosen bridge)——都是发表在 21 现代物理知识 《物理评论》上的(均发表于1935 年) 。从这个意义 度”在推行过程中