引力波是如何從理論中發現的？

1932年，愛因斯坦離開了歐洲，去新澤西州新建成的普林斯頓高等研究院。途中，他在牛津大學做了短暫的停留，并在基督教堂學院做了個研究報告。遠離危機重重的中歐，他重新開始求解他的方程組。1935年，他得到了一個年輕的研究助理納森·羅森（1909年至1995年），幫他進行數學計算。在隨后的兩年里，羅森和愛因斯坦合作撰寫了許多理論物理學領域的著名論文。

1936年，愛因斯坦和羅森發現了愛因斯坦方程組的一類新的解。它描述了一個膨脹的圓柱狀宇宙，在這個宇宙里，所有的事情在隨時間變化的同時，也沿著空間中的某一個方向變化。這種模型簡化了紛繁復雜的愛因斯坦方程組，使人們得以找到一個精確解。這種宇宙有一個令人驚訝的新特點，這是之前從愛因斯坦方程組里找到的其他宇宙模型中從來沒有過的。這種宇宙的空間中傳播著一種波，所到之處的空間紛紛掀起漣漪。這有點像給卡斯納的宇宙（在不同方向上以不同的速率膨脹）增添了一些波，它們從對稱軸向外傳播，就像卷紙松開時向外一層層剝去。

對愛因斯坦和與他同時期的人來說，這種宇宙的最有趣之處是存在引力波。愛因斯坦一羅森宇宙不包含物質，因此任何波動都會掀起空間幾何的漣漪，并隨時間傳播開去。這種引力波的想法曾經風行了一段時間，也引起了一些爭議。但是，有些人認為這只不過是在“紙上談波”，它們并不對應空間中任何真實存在的起伏，是愛因斯坦方程組在特殊的坐標系下產生的結果。有些人則認為這是真實存在的波，如果一束波朝你襲來，它會對你產生影響（沿著一個方向拉伸你，并沿垂直的方向擠壓你，就像潮汐力）。

很快，愛因斯坦和羅森意識到，這個解是一個絕佳的理論檢驗對象，要平息這場爭論并不需要借助任何不確定的推演，也不需要數值計算。值得注意的是，他們首先得到的結論是，這種柱狀波并非“真實存在”，它只不過是他們選擇的坐標系的產物。他們說，這就像是一個地理學家的地球儀，所有的經線都在極點處相交。對不懂的人來說，這可能說明地球上的那個地方大事不妙，但事實上什么事都沒發生。在地圖的極點處，你將其換成別的坐標系，事物就變平常了。想象一下，你把經線表示成歪歪扭扭的線，對不懂的人來說，這些線意味著地球上有一些東西在不斷波動——肯定又是你錯了。然而，要小心了，如果你看的是一幅等高線圖，你會發現許多復雜的波浪線看起來非常類似。在這種情況下，如果你斷定這些線并不對應地球上任何“真實存在”的東西，你就錯了。愛因斯坦和羅森當時面臨的問題，便是他們應該把這些曲率波歸為像等高線一樣的“真實存在”，還是像歪歪扭扭的經線一樣的人造概念。

1936年夏初，他們向美國的頂級物理學期刊《物理評論》寄送了自己的論文。文中聲稱，他們的新宇宙學模型中的引力波并非真實存在。6月1日，他們的文章被簽收了，之后就像其他投稿一樣，被編輯寄給另一個科學家進行評估。7月23日，論文的審稿意見回來了，并寄給了愛因斯坦，按照慣例，沒有透露審稿人的姓名。現在我們知道，給編輯提供審稿意見的不是別人，正是霍華德·羅伯特遜（1903年至1961年），一位對廣義相對論技術細節了如指掌的美國科學家。他不相信文章的結論，并一針見血地指出作者在文中得出錯誤結論的地方。他認為，這個宇宙模型中的引力波是真實存在的，并要求作者考慮他的這個意見。

在說到愛因斯坦的回應之前，需要特別提一下，愛因斯坦以前所有的論文都發表在歐洲期刊上，當時歐洲并沒有像這樣對論文進行同行評議的傳統。歐洲期刊要么看作者的名氣大不大，要么看有沒有功成名就的科學家做介紹人，要么編輯親自審稿。拒絕一個功成名就的作者的投稿相當不禮貌，這種事極少發生。結果，由于不理解美國的審稿機制，愛因斯坦在聽說編輯把他的文章寄給了另一個科學家的事后很沮喪。他給《物理評論》的編輯約翰·塔特回信說：

“我們（羅森先生和我）已經向您寄去了我們的稿件用于發表，并沒有授權您在付印之前給別的專家審閱。我認為沒有必要回應您那位匿名專家的意見（本來就是錯誤的）。鑒于此，我寧愿選擇在別的地方發表這篇文章。”

很快，愛因斯坦將這篇文章投到了《富蘭克林研究所雜志》，以前他在那兒發表過一篇論文。

過了幾個月，愛因斯坦仍然相信自己的新宇宙模型不包含真實的引力波。后來，一切都改變了，因為愛因斯坦與羅伯特遜交上了朋友——就是在《物理評論》匿名給愛因斯坦審稿，并對文章結論提出質疑的那個羅伯特遜。羅伯特遜說服了愛因斯坦，讓他相信相比他和羅森得到的結果，另一種解的形式更清楚，毫無疑問，其中存在的柱狀引力波是真實的。那個時候，愛因斯坦和羅森的論文已經被《富蘭克林研究所雜志》接受了。不過，愛因斯坦在收到校樣稿時，有機會在結論中做了一個保全面子的改動。他增加了一段備注，“感謝我的同事羅伯特遜教授在澄清原文中的錯誤時給予的親切幫助”。

他們剛投了稿，納森·羅森就前往蘇聯的基輔大學工作了。他是在報紙上讀到愛因斯坦發表了新論文這個新聞時，才聽說了后面發生的事。羅森并沒有被愛因斯坦和羅伯特遜的觀點說服，不相信引力波真實存在，隨后就獨自發表了一篇文章，仍然堅持以前那個結論。直到20世紀70年代，幾乎所有的物理學家都已經相信引力波的真實性了。

1957年，愛因斯坦去世兩年后，在北卡羅來納大學教堂山分校的會議上，理查德.費曼（1918年至1988年）提出的一個簡單觀點成為對羅森的關鍵反駁。費曼證明，如果引力波垂直經過一根粗糙的棍子，附著在棍子表面的水珠（由于存在摩擦力，它們被稱作“黏性水珠”）會前后移動。水珠在棍子的粗糙表面移動時會導致摩擦生熱，就像你摩擦自己的雙手取暖一樣。溫度升高說明引力波就是熱源，因而必然攜帶能量。所以，引力波并不只是紙上談兵。

費曼的“黏性水珠”之說化解了所有對引力波真實性的質疑。引力波就像潮汐力，如果一束引力波垂直穿過一頁紙，就會沿著一個方向拉伸它，而在垂直的方向擠壓它——正方形會變成長方形，圓形會變成橢圓形。

關于這個故事還有件有趣的軼事。費曼好像看不上教堂山會議的議程，注冊時使用了假名，于是“黏性水珠”之說是匿名發表的。在他的回憶錄《別鬧了，費曼先生》中，他講述了尋找會議地點的經過：

1957年，我去北卡羅來納大學參加一個討論引力的研討會。我本來要以物理學其他領域專家的身份來討論引力理論。由于我無法參加第一天的會議，當我的航班在機場降落時，已經是會議的第二天了。我走到叫出租車的地方，跟那人說：“我要到北卡大學。”

“你說的是哪一所？”他說，“在羅利的北卡州立大學呢，還是在教堂山的北卡大學？”

不用說，我完全搞不清楚。“它們在哪里？”我問。心想兩個地方應該挨得比較近。

“一家在北邊，另一家朝南走，路程都差不多遠。”

我身上沒帶任何資料能讓我弄清楚究竟是哪個地方，而旁邊也沒有像我那樣晚了一天才來開會的人。

我靈機一動。“聽著，”我跟出租車站的人說，“會議是昨天開始的，所以昨天一定有很多人路過這里去參加研討會。讓我形容一下這些人，看你有沒有印象：他們多半有點迷迷糊糊的，邊走邊談，不大理會自己究竟往哪個方向走，談話內容都是‘姬—謬—拗，姬—謬—拗的。”

他整張臉都亮了起來，說：“你要去的是教堂山！”他揮手招來出租車，“帶這位先生去北卡教堂山分校。”

“謝謝！”我說，然后順利抵達會議地點。本文選自作者新書《宇宙之書》。