——读《传播，以思想的速度》一书有感

自从近一个世纪前，爱因斯坦第一次描述了引力波以来，相互作用的物体之间是否存在引力波，成了物理学史上最具争议的话题之一。有不少人坚信它的存在，更有很多人对此表示怀疑。就连创建引力波理论的爱因斯坦，也曾两次站在怀疑者的行列之中。1922年，对引力波的怀疑者爱丁顿曾有一个著名的评论——“引力波以思想的速度传播”。这句话，成了本书作者确定书名的依据。

本书的作者回顾了有关引力波概念提出来之后，几代科学家特别是物理学家对引力波所做的多方面的探索历程。书中有不少内容过于深奥，即便我是物理专业出身，读起来也比较吃力。这里只能浮光掠影地做一些概况式的描述。

一、类比的作用

在探究未知世界的历程中，有一种力量顽强地支撑着人们的科学信念，它就是类比。未知领域的很多现象、特征和规律，大都是通过类比的方式获得的。

在人类文明的进程中，人们一直以为原子是组成物质的最小单位，是不可再加以分割的。一直到十九世纪末，随着电子的发现，人们才意识到原子也是有结构的。从那时又过了三四十年，人们陆续又发现了质子和中子，科学家们才对原子中物质的组成了比较清晰的认识。在这同时，原子内部的结构也引起了很多科学家的兴趣，人们提出了各种模型，比如汤姆逊的西瓜模型、卢瑟福的核式结构模型等等。这些模型的提出，都采取了类比的方式。核式结构模型就是和太阳系中的行星围绕太阳运动的情况相类比建构起来的。

科学家通过类比，发现了很多新的事物，得到了不少新的规律，这极大地强化了他们对类比这种方式的信赖感。但有的时候，类比也常常会导致思维的阻滞，给研究工作带来很大的麻烦。

就拿电磁波的发现来说吧。人们最初在探究电磁波的时候，采用的依然是类比的方式，将电子波和水波、声波等日常生活中常见的波进行类比。因为水波、声波等机械波在传播的时候都需要依赖介质（如水、空气、固体等等），于是人们就推测电磁波在传播的时候也需要介质，并且给这种介质取了一个名字——“以太”。“以太”给科学家的研究带来了很多的麻烦，按照声音传播的特点，介质的密度越高，声波在其中传播的速度就越快，因为电磁波的传播速度达到光速度，“以太”的密度就应该非常高；但同时，人们在其中行走又感觉不到它的存在，它的密度又该非常低。如此“矛盾”的物质，究竟是什么？科学家们做了很多的测量，最终才发现，电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播。

尽管类比会带来如此多的困顿，科学家们在遇到一个新的问题时，依然会首先选择类比。因为在对所研究的事物知之甚少的情况下，类比往往成为一种最重要的手段和途径。

引力波的提出，就是类比的结果。带电粒子可以通过电磁场而发生相互作用的事实，使得很多科学家对“场”有了由衷的亲切感，在研究宇宙中各个恒星之间的相互作用、在研究行星绕着恒星旋转的问题、在研究“二体”问题等一些列天体之间的相互作用时，科学家们自然就想到，两个天体相互吸引，他们的相互作用是如何实现的？是一种不需要作用时间的超距作用，还是像电磁波一样，一个天体发出引力波，按照光速向另一个天体传递，要过了一段时间之后，才能作用到？

1915年，爱因斯坦根据电磁波理论以及电磁场的特征，对引力场进行了类比分析，认为物体之间（特别是天体之间）的相互作用是通过引力场而进行的。并类比麦克斯的电磁场方程组，给出了引力场方程组，尝试对引力波的特征进行描述。爱因斯坦希望通过对引力场的研究，实现用“场”的概念统一四种基本的相互作用，以此来构建“大统一”的理论体系。

不过，令爱因斯坦意想不到的是，从引力波概念的提出到现在，时间已经过去了将近100年，但对引力波的研究，还有很多问题需要克服和解决。

二、研究遇到的困难

怎样判断引力波是否存在？如果引力波像电磁波那样通过空间以有限的速度传播，那么在传播的过程中波源将会释放能量，从而使自身的能量减少、自身的运动发生变化。如果我们能够探测到波源释放的能量，或者波源本身的“运动问题”，就有可能找到引力波存在的证据。

想法是很好的，但要真正去做却很困难。这是因为即使引力波存在，也是非常微弱的，在当时的条件下，几乎没有办法用实验来进行观察和检测。在整个二十世纪，除了有限的几次超新星爆发、脉冲星的观察之外，用实验的方式来探索引力波是否存在几乎没有多大的进展。引力波的研究，在推进过程中遇到了如下几个方面的困难：

第一是研究群体。爱因斯坦提出引力波的概念之后没几年，随着量子力学的出现，广义相对论在物理学中逐渐黯淡了下来，对引力波的研究自然也逐渐淡化下来。量子力学可以通过大量的实验来进行观察和研究，有大批的新粒子逐渐被科学家们所发现，这让大家都非常兴奋；而对引力波的研究几乎无法使用仪器，有的只是推想或者数学演算。

从那时开始相当长的一段时间内，活跃在广义相对论领域且占主导地位的大多数人是数学家、或是数学背景很强的科学家。物理学家是其中的一小部分，包括爱因斯坦及其朋友和学生，如泡利、英费尔德、霍夫曼、福克等；另一小部分是专业的天文学家，如勒迈特；还有一部分就是数学家了，如列维-奇维塔、德东德、达尔穆瓦等。数学家们认识到，相对论是一种相当适合他们工作方式的物理学理论。

在理论物理远离实验的情况下，数学无疑起到了实验应有的作用。原本该通过实验加以检验的物理理论，如果经过反复的数学推演，都能够得到相同的结论，这样的结果就会被大家所认可。但物理学家和数学家在思维方式上存在着明显的差异，物理研究比较注重直觉，数学研究特别强调严谨，引力波研究过程的数学化，所带来的是一场文化的变革，当引力波研究再次想回到物理学主流的时候，不可避免地带来了一种文化的冲突。

第二是科学交流。在研究工作中，重要的不仅仅是研究人员的数量，还是研究人员的交流程度。引力波的研究，在整个起步的阶段，正好赶上两次世界大战，第一代的研究人员或因战争的原因四处逃难，或沉湎于自己的研究领域独立思考，并不太注重相互之间的交流与沟通。直到爱因斯坦去世之后的第二年，才有了世界级别的会议，对引力波进行专题研究。

彼此忽视一直是物理学家们的所为。一般来说，阅读其他人的论文是个例外，而不是常规。即使是在一个很小的领域，所有要阅读的论文也太多了，多数物理学家并不喜欢去读，他们更愿意自己去搞研究。爱因斯坦就是一个典型，他从来不去查阅别人的研究文献，既是别人已经有了研究的成果，他也毫不为动，而是坚持用自己的方式加以推演。大凡一流的物理学家，更喜欢自己或派自己的学生在一些重要的会议上去谈自己的工作，与这个领域中的大人物交往。这或许是他们能够独树一帜的缘由，但有时也妨碍了相关研究成果的共享。

在今天，人们已经认识到，引力波的研究不是那个个人可以完成的事业，需要大的研究团体齐心合力。但这个领域以前都是思想非常独立的研究人员所组成的，因此需要一种重大的文化转变。

第三是实证数据。如前所述，一项科学理论如果要取得大家的认可，实证数据最为重要。引力波研究的第二代研究人员中，罗森、英费尔德、邦迪是其中的佼佼者。罗森挑起了关于引力波的争论，邦迪和大家共同创建了引力波的具体图像，但直到二十世纪60年代末，实际的实验证据仍然非常匮乏，而且还都是负面的。

关于引力波以及引力辐射的探测工作，是从上世纪70年代开始热起来的，到80年代开始建立雄心勃勃的大型探测器。这其中最为有名的是韦伯所建立的引力波探测器。他多次宣布通过探测器检测到了引力波的存在，但测量仪器本身所带来的信号异常，让绝大多数的科学家对他的研究不敢认同。在这条道路上，他一直孤独地努力着，或许未来会证明，他的坚持是正确的。

脉冲星的观察是一个很好的案例，它给人们提供了检验理论的最佳契机。但可惜的是，这样的观察是稍纵即逝，没有办法重新来过的。

如上所述，引力波研究所遇到的严重困难，就是缺少实验。而且，我们也几乎得到不任何的实验。面对这种情况，有两种解决的办法：一是选择数学的严格。但在没有实验指导情况下尝试数学的严格，正是导致这个学科产生困难的原因之一；二是选择靠直觉“做游戏”并继续下去。在没有实验来拉动的情况下，只能靠想象来拉动。

三、思想的速度

回顾将近一百年来人们关于引力波的研究历程，再去思考爱丁顿有关引力波以思想的速度传播的评论，可以给我们很多的思考。从个人的角度看，思想的速度是非常快速的，可以向各个方向高速发射。“思想有多远，你就能走多远”，这句话本身就体现了个体思想的速度和魅力。但从整体来看，全体知识这个巨大的波，只能以极其缓慢的速度前进。

但我们要记住，群体思想的速度才是最为重要的。当一个人的思想被某个群体所认可的时候，这种思想才会被吸收，他所取得的成就才会被普遍的认同，并由此而产生连锁反应，在实际中取得飞速的发展，引起科技或者社会的变革。

引力波的研究之所以历经前后三代人、长达一百年的努力，但始终没能达成一种共识，或许就是因为作为个体，他们思想的速度是飞快的，甚至是超距的；但在引领群体思想方面，还做得很不够吧。在整个探究历程中，怀疑者的力量往往强过探究者，就很能说明问题。

其实，我们平时的工作，不也是如此吗？

《传播，以思想的速度：爱因斯坦与引力波》 [美]丹尼尔·肯尼菲克/著  黄艳华/译  上海科技教育出版社  2010.12