引力波是如何从理论中发现的？

1932年，爱因斯坦离开了欧洲，去新泽西州新建成的普林斯顿高等研究院。途中，他在牛津大学做了短暂的停留，并在基督教堂学院做了个研究报告。远离危机重重的中欧，他重新开始求解他的方程组。1935年，他得到了一个年轻的研究助理纳森·罗森（1909年至1995年），帮他进行数学计算。在随后的两年里，罗森和爱因斯坦合作撰写了许多理论物理学领域的著名论文。

1936年，爱因斯坦和罗森发现了爱因斯坦方程组的一类新的解。它描述了一个膨胀的圆柱状宇宙，在这个宇宙里，所有的事情在随时间变化的同时，也沿着空间中的某一个方向变化。这种模型简化了纷繁复杂的爱因斯坦方程组，使人们得以找到一个精确解。这种宇宙有一个令人惊讶的新特点，这是之前从爱因斯坦方程组里找到的其他宇宙模型中从来没有过的。这种宇宙的空间中传播着一种波，所到之处的空间纷纷掀起涟漪。这有点像给卡斯纳的宇宙（在不同方向上以不同的速率膨胀）增添了一些波，它们从对称轴向外传播，就像卷纸松开时向外一层层剥去。

对爱因斯坦和与他同时期的人来说，这种宇宙的最有趣之处是存在引力波。爱因斯坦一罗森宇宙不包含物质，因此任何波动都会掀起空间几何的涟漪，并随时间传播开去。这种引力波的想法曾经风行了一段时间，也引起了一些争议。但是，有些人认为这只不过是在“纸上谈波”，它们并不对应空间中任何真实存在的起伏，是爱因斯坦方程组在特殊的坐标系下产生的结果。有些人则认为这是真实存在的波，如果一束波朝你袭来，它会对你产生影响（沿着一个方向拉伸你，并沿垂直的方向挤压你，就像潮汐力）。

很快，爱因斯坦和罗森意识到，这个解是一个绝佳的理论检验对象，要平息这场争论并不需要借助任何不确定的推演，也不需要数值计算。值得注意的是，他们首先得到的结论是，这种柱状波并非“真实存在”，它只不过是他们选择的坐标系的产物。他们说，这就像是一个地理学家的地球仪，所有的经线都在极点处相交。对不懂的人来说，这可能说明地球上的那个地方大事不妙，但事实上什么事都没发生。在地图的极点处，你将其换成别的坐标系，事物就变平常了。想象一下，你把经线表示成歪歪扭扭的线，对不懂的人来说，这些线意味着地球上有一些东西在不断波动——肯定又是你错了。然而，要小心了，如果你看的是一幅等高线图，你会发现许多复杂的波浪线看起来非常类似。在这种情况下，如果你断定这些线并不对应地球上任何“真实存在”的东西，你就错了。爱因斯坦和罗森当时面临的问题，便是他们应该把这些曲率波归为像等高线一样的“真实存在”，还是像歪歪扭扭的经线一样的人造概念。

1936年夏初，他们向美国的顶级物理学期刊《物理评论》寄送了自己的论文。文中声称，他们的新宇宙学模型中的引力波并非真实存在。6月1日，他们的文章被签收了，之后就像其他投稿一样，被编辑寄给另一个科学家进行评估。7月23日，论文的审稿意见回来了，并寄给了爱因斯坦，按照惯例，没有透露审稿人的姓名。现在我们知道，给编辑提供审稿意见的不是别人，正是霍华德·罗伯特逊（1903年至1961年），一位对广义相对论技术细节了如指掌的美国科学家。他不相信文章的结论，并一针见血地指出作者在文中得出错误结论的地方。他认为，这个宇宙模型中的引力波是真实存在的，并要求作者考虑他的这个意见。

在说到爱因斯坦的回应之前，需要特别提一下，爱因斯坦以前所有的论文都发表在欧洲期刊上，当时欧洲并没有像这样对论文进行同行评议的传统。欧洲期刊要么看作者的名气大不大，要么看有没有功成名就的科学家做介绍人，要么编辑亲自审稿。拒绝一个功成名就的作者的投稿相当不礼貌，这种事极少发生。结果，由于不理解美国的审稿机制，爱因斯坦在听说编辑把他的文章寄给了另一个科学家的事后很沮丧。他给《物理评论》的编辑约翰·塔特回信说：

“我们（罗森先生和我）已经向您寄去了我们的稿件用于发表，并没有授权您在付印之前给别的专家审阅。我认为没有必要回应您那位匿名专家的意见（本来就是错误的）。鉴于此，我宁愿选择在别的地方发表这篇文章。”

很快，爱因斯坦将这篇文章投到了《富兰克林研究所杂志》，以前他在那儿发表过一篇论文。

过了几个月，爱因斯坦仍然相信自己的新宇宙模型不包含真实的引力波。后来，一切都改变了，因为爱因斯坦与罗伯特逊交上了朋友——就是在《物理评论》匿名给爱因斯坦审稿，并对文章结论提出质疑的那个罗伯特逊。罗伯特逊说服了爱因斯坦，让他相信相比他和罗森得到的结果，另一种解的形式更清楚，毫无疑问，其中存在的柱状引力波是真实的。那个时候，爱因斯坦和罗森的论文已经被《富兰克林研究所杂志》接受了。不过，爱因斯坦在收到校样稿时，有机会在结论中做了一个保全面子的改动。他增加了一段备注，“感谢我的同事罗伯特逊教授在澄清原文中的错误时给予的亲切帮助”。

他们刚投了稿，纳森·罗森就前往苏联的基辅大学工作了。他是在报纸上读到爱因斯坦发表了新论文这个新闻时，才听说了后面发生的事。罗森并没有被爱因斯坦和罗伯特逊的观点说服，不相信引力波真实存在，随后就独自发表了一篇文章，仍然坚持以前那个结论。直到20世纪70年代，几乎所有的物理学家都已经相信引力波的真实性了。

1957年，爱因斯坦去世两年后，在北卡罗来纳大学教堂山分校的会议上，理查德.费曼（1918年至1988年）提出的一个简单观点成为对罗森的关键反驳。费曼证明，如果引力波垂直经过一根粗糙的棍子，附着在棍子表面的水珠（由于存在摩擦力，它们被称作“黏性水珠”）会前后移动。水珠在棍子的粗糙表面移动时会导致摩擦生热，就像你摩擦自己的双手取暖一样。温度升高说明引力波就是热源，因而必然携带能量。所以，引力波并不只是纸上谈兵。

费曼的“黏性水珠”之说化解了所有对引力波真实性的质疑。引力波就像潮汐力，如果一束引力波垂直穿过一页纸，就会沿着一个方向拉伸它，而在垂直的方向挤压它——正方形会变成长方形，圆形会变成椭圆形。

关于这个故事还有件有趣的轶事。费曼好像看不上教堂山会议的议程，注册时使用了假名，于是“黏性水珠”之说是匿名发表的。在他的回忆录《别闹了，费曼先生》中，他讲述了寻找会议地点的经过：

1957年，我去北卡罗来纳大学参加一个讨论引力的研讨会。我本来要以物理学其他领域专家的身份来讨论引力理论。由于我无法参加第一天的会议，当我的航班在机场降落时，已经是会议的第二天了。我走到叫出租车的地方，跟那人说：“我要到北卡大学。”

“你说的是哪一所？”他说，“在罗利的北卡州立大学呢，还是在教堂山的北卡大学？”

不用说，我完全搞不清楚。“它们在哪里？”我问。心想两个地方应该挨得比较近。

“一家在北边，另一家朝南走，路程都差不多远。”

我身上没带任何资料能让我弄清楚究竟是哪个地方，而旁边也没有像我那样晚了一天才来开会的人。

我灵机一动。“听着，”我跟出租车站的人说，“会议是昨天开始的，所以昨天一定有很多人路过这里去参加研讨会。让我形容一下这些人，看你有没有印象：他们多半有点迷迷糊糊的，边走边谈，不大理会自己究竟往哪个方向走，谈话内容都是‘姬—谬—拗，姬—谬—拗的。”

他整张脸都亮了起来，说：“你要去的是教堂山！”他挥手招来出租车，“带这位先生去北卡教堂山分校。”

“谢谢！”我说，然后顺利抵达会议地点。本文选自作者新书《宇宙之书》。