看不见的世界中的事实判断研究——以引力波的发明与发现为例

葛维东，赵 煦

（金陵科技学院 马克思主义学院，江苏 南京 211169）

当代科学前沿已经推进到一个看不见的世界之中。在看不见的世界中，无论是人们已经争论了长达几十年之久的有关夸克是否会永远处于禁闭状态的问题，还是近年来被发现的希格斯玻色子的存在方式问题，都总会引发人们对这些事物的实在性问题的思考，常会令人感到困惑。凡此种种问题大多根源于对看不见的世界进行理论预测和事实判断时存在着无法跨越的鸿沟。

2016年2月11日，美国国家科学基金会（NSF）会同来自加州理工学院、麻省理工学院，以及“激光干涉引力波天文台（LIGO）”的科学家在华盛顿宣布：人类首次直接探测到了引力波的存在（即GW150914引力波事件）。这一事件中引力波所携带的能量和信息，能够让我们回望宇宙大爆炸的最初瞬间，检验宇宙大爆炸理论的正确性，同时拓展了当代科学前沿新的研究领域。当然，引力波的发现也引发了人们对于看不见的世界进一步的哲学思考。特别是此次事件的理论预测与事实判断，为我们研究当代科学在探索看不见的世界中必须面对的实在性问题，开辟了一条富有启发意义的研究道路。

一、引力波的发明与发现

引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，它让诞生百年来历经水星近日点的进动、光线弯曲、引力红移现象验证的相对论再次接受检验，从而为相对论的正确性提供了有力的支撑。事实上，此次引力波的发明与发现，远远地超出了检验相对论本身的意义。

1.引力波的发明

1915年，爱因斯坦发表了场方程，建立了广义相对论。1916年，他发现自己的方程有一组解，和电磁波的性质类似，以光速传播。据此，爱因斯坦预言存在引力波。

爱因斯坦之所以作出这一预言，是根据广义相对论，在宇宙中，当两个黑洞或恒星等大质量的致密星体相互绕着对方快速转动，或者发生碰撞、合并等极其剧烈的天体运动时，会导致时空高度扭曲或脉动，即时空曲率。在此类运动过程中，大质量天体的剧烈运动会扰动着周围的时空，在事件的周围形成螺旋的曲率波，并且“在宇宙中以光速前进，且 不会被任何物体所 阻挡”。［1］229因此，引力波的本质就是时空曲率的波动，也有人形象地称之为时空“涟漪”。

目前有关引力波的认识，主要依据相对论结合黑洞的研究进行描述。学界普遍认为，引力波可向我们传递以下信息：①引力波来自黑洞视界的邻近区域，是由时空结构的弯曲所产生，不会遭受传播途中物质的破坏；②引力波携带着有关黑洞的具体信息，可令我们对于黑洞的认识，从黑洞概念刚提出时的“无毛定理”，发展到霍金提出的黑洞“三根毛”，大大扩展到引力波信号中负载着的确凿的黑洞信息；③引力波带的信息包括黑洞的质量、旋转速度、运动轨道，以及黑洞的具体方位等。

从理论上讲，引力波产生的途径有很多，因为行星、恒星、黑洞和星系团等大质量天体在宇宙中的运动，都会在时空中引起波动。也就是说，只要存在大质量天体在宇宙中的运动，那么事件周围的时空都会有所响应，从而产生引力波。不过，大多数情况下的引力波都很弱，很难在地球上被检测到。引力波之所以如此微弱，主要因为引力波的强度和水波，以及光波等波动现象，会随着其传播距离的增加而逐渐衰减。如果引力波在黑洞邻近区域刚产生时，其强度约为1，那么，当它到达地球时，其强度就会减小到1/30黑洞周长除以引力波经过的距离。［2］由于事件中的黑洞大多距离地球太过遥远，即引力波所经过的距离值非常大，因此，地球上观测到的引力波就必然非常微弱。以一个距离地球10亿光年，重为10个太阳质量的黑洞为例，其产生的引力波为10-14米，约为原子核直径的10倍。

2.引力波的发现

广义相对论的场方程的解显示，引力波是如此微弱，甚至连爱因斯坦都认为引力波永远也不可能被检测到。不过，亚里士多德曾断言，“一个人可以早一万年预言一件事，……那在过去一个时候被预言得对的，就必然地将在时间已成熟的时候发生。”［3］正因为有着同样的信念，有些实验物理学家相信，宇宙空间中有某些天体事件可以产生足够强的引力波，以至于地球上可以观测得到。最早进行引力波探测实践的是马里兰大学的物理学家韦伯。20世纪60年代，韦伯设计了一种共振棒引力波探测器，并且在1968年，他宣称探测到了引力波。但是，他的实验由于全都无法重复而被人们认为是失败的。从20世纪70年代开始，有越来越多的物理学家投身到引力波的探测实验中。不过，除了1974年物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯发现了一对脉冲双星，间接证明了引力波的存在之外，人们一直未能获得直接观测到引力波存在的证据。

后来，加州理工学院的物理学家瑞纳·韦斯等人注意到，当引力波穿过某物体时，它“将在某一方向上拉伸空间，同时在垂直的方向上压缩空间”。［1］232运用这一原理，韦斯和福瓦德等人设计并制造了激光干涉引力波探测器。该探测器由相互垂直的呈L形的两条长臂（L1和L2）组成。当一束激光从激光器发出，在分光镜上被分为强度相等的两束，分别沿着探测器的两臂L1和L2到达两个端点，然后被末端的镜面反射回来，当两束光再次在分光镜上相遇时，就会产生干涉图像。“如果两条边的长度完全一致，两束激光将时刻保持同步，干涉图像就不会发生变化。相反，如果长度发生了差异，激光将发生相移，干涉图像也会有所不同。”［1］231鉴于此，当引力波经过探测器时，人们就可以通过干涉图像的变化，获得引力波的信号。

不过，引力波的探测对仪器灵敏度的要求非常高，直到20世纪90年代，探测器所需的高灵敏度技术条件才趋于成熟。1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”（LIGO）。LIGO的两条相互垂直的干涉臂臂长均为4千米。LIGO于1999年初步建成，2002年开始运行。其后，又于2007年和2010年进行了两次升级改造。2015年9月，升级改造后的LIGO开始试运行。本次宣布观测到的GW150914引力波事件即为试运行阶段的LIGO于2015年9月14日获取的信号。

在本次事件中，GW150914的引力波频率在0.2秒的时间里发生了从30Hz到250Hz的变化，并先后以7毫秒之差在两个探测器上被观测到同样的信号。从探测器观测到的引力波信号推测，这是一个发生在距离地球十几亿光年的一个遥远星系中，两个约为36个和29个太阳质量的黑洞，合并为一个62个太阳质量黑洞的奇异事件。

通过对信号的解读，科学家对GW150914引力波事件进行了具体描述：当两个黑洞的引力波频率低值为30Hz，这就意味着黑洞的轨道频率约为15Hz。进一步推算，两个黑洞分别为36个和29个太阳质量，每个半径约为一百公里，二者相距约一千公里，每秒绕对方旋转15圈。随着二者之间距离的临近，当两个黑洞快要合并的时候，引力波频率达到100Hz左右，轨道频率为50Hz，也就是每秒绕对方旋转50圈。最后，二者合并成一体。合并之后的新黑洞的质量约为62个太阳质量，半径约为160公里，仍处于扭曲状态，并继续震荡。此时，引力波频率达到250Hz左右。

二、从理论预测到事实判断的主要环节及其问题

1.从发明到发现的主要环节

从引力波的发明与发现的具体过程，我们可知：在引力波的发明阶段，爱因斯坦及其后继者们基于广义相对论，提出了引力波的概念，并对引力波的行为作出了理论预测和详细的描述。理论预测的内容包括：引力波的产生机制、传播机制，以及引力波可能携带的信息。事实上，在理论预测中，“构成世界的原料——物质、能量、波、现象——是在构造世界的过程中和世界一起被构造出来的”。［4］7直到目前为止，我们对引力波的认识，基本上仍然来自于广义相对论对引力波所作出的理论预测，而有关引力波在人们头脑中所形成的图像则大多来自黑洞旋转而导致时空曲率的描述。在理论预测中，存在一个大致的推理链：相对论→黑洞存在→引力波存在。

在引力波的发现阶段，科学家们首先根据引力波理论预测所允许的特征，设计实验仪器，寻找符合理论预言的可能信号。韦伯的共振棒引力波探测器的设计、LIGO的激光干涉引力波探测器的建造及其两次升级，都是科学家们在理解相对论对引力波的理论预测的基础上，所进行的探索性工作。接下来，决定韦伯失败与LIGO成功的关键在于实验中对经验数据的获取。此次GW150914引力波事件中，将引力波的存在确认为事实的理由，就是因为LIGO接收到了符合理论预测的信号。至此，人们相信，引力波已被发现。

不过，需要指出的是，在实际科研活动中，观测到引力波的信号，获取相关经验数据，并不等同于人们已经完成了“引力波存在”的事实判断。因为，有一个不可忽略的环节，就是在经验数据的取得与作出事实判断之间，科学家们必须将理论预测及其对事件所作的描述与实验观测所取得的经验数据进行比对。观测到信号之后，LIGO的研究人员将GW150914引力波事件中的波形、频率、传播速度，与相对论对引力波所作的预言进行了比对，在统计误差所允许的范围内没有发现和相对论预言相冲突之处。通常，一个理论“对于它们所适合的世界而言，一个陈述就是真的，一个描述或再现就是正确的。”［4］136因此，在GW150914事件中，直到实验观测所得到的经验数据与理论预测相符合时，人们方才完成了“引力波存在”的事实判断。

以上论述表明，在科学事件中，作出事实判断的依据有两个要点：第一，实验设计范围必须与预测理论相适应。韦伯所设计的共振棒探测器运用的是共振原理。探测器的主体为一根长2米，直径为0.5米，重约1吨的铝棒。当引力波穿过探测器时，会挤压和拉伸铝棒，进而产生共振现象。不过，因为铝棒的共振频率是确定的，所以只有当引力波的频率和铝棒的设计频率一致时，探测器才会接收到信号。根据相对论预测，引力波的频率与事件中黑洞的质量，以及事件与地球之间的距离相关。这就意味着宇宙中的引力波频率是不确定的。以一个确定频率的探测器，去观测不确定的引力波，纯属守株待兔的做法，其失败必然是大概率事件。而在GW150914引力波事件中，激光干涉引力波探测器则有效实现了实验设计范围与预测理论之间的相互适应。第二，实验所取得的经验数据必须与理论预测所做的描述相符合。本次LIGO的激光干涉引力波探测器所观测到的最强的引力波应变为10-21，经过和一个由理论计算产生的波形库中海量的波形比对，最终确认这一事件是两个黑洞合并所产生的引力波信号。

在看不见的世界中，事件的发明与发现的主要环节包括：从理论预测并对事件加以描述，到实验设计，接收到信号，进而取得经验数据。最后，在理论预测与实验数据进行比对的基础上，完成事实判断。

2.不可重复的问题

彭加勒认为，“最有趣的事实就是可以多次运用的事实；这些是具有一再复现的机会的事实。”［5］事实上，自近代科学以来，可重复性就成为科学确定性的一个重要指标。一个实验若不能在其他实验室中，以相同的条件重复进行，即便不能立刻决定该实验的生与死，恐怕也难以不在人们的心中留下疑问。2011年的“中微子超光速”事件，就因为该实验现象不能在相同的条件下被其他实验室呈现出来，而很快就遭到抛弃。事实上，前文所述及的韦伯探测引力波的失败，也同属于此类。

可是在看不见的世界中，面对诸如GW150914引力波这样的事件时，便出现了一番完全不同于近代科学的情形。一方面，从实验条件的演化看，从古代自然状态下的观测实验，到近代以来实验室中的物质实验，实验条件的优越化令许多自然条件下无法观测的现象都呈现了出来。同样，在当今看不见的世界的前沿探索中，观测条件都大为优越化。但必须注意的是，得到优越化的仅仅是观测手段，而对于观测的对象本身而言，人类却并没有任何令观测对象呈现其条件优越化的有效手段，比如，人类不可能通过制造出两个黑洞合并事件，来研究引力波。另一方面，爱因斯坦的相对论告诉我们，引力波以光速传播。而光速是一切运动速度的极限，也就是说，人类的运动无法超越光速。当然，这也就意味着，人类无法超越引力波传播的速度。因此，像GW150914引力波事件这样的天体现象，对于地球上的人来说，每一个事件都是一次性的，过去了就无法再来一次。

在此类无法复制的事件面前，人类所能够做的只有等待。等待下一个不同频率的“引力波”信号的到来。

三、看不见的世界中的科学进步

结合GW150914引力波事件的实际情况，在看不见的世界的探索和进行事实判断的过程中，出现了明显的与传统科学研究不一致的地方。在传统的科学研究中，可重复性是实验科学的主要特征之一，但在当代科学前沿的看不见的世界之中，可重复性变成了一个几乎不可能的问题。

这一问题主要源于实验传统对经验的依赖。在古代科学中，人们大多凭借直接的感官所感知的经验，开展科学研究。而自近代以来，世界各地实验室的大量兴建，科学依赖经验的这一传统得到强化，牛顿曾声称他“从来不发表不能用观测或实验证明的学说”。［6］然而，在面对看不见的世界时，人们对直接经验的依赖，成为当代科学所无法克服的一个难题。

不可否认，在科学活动中，以经验累积为目标的物质实验仍然是科学的主要手段。但物质实验只能为科学研究提供线索或检验的证据，甚至只是积累了一个经验数据而已（特别是不可重复的数据）。此次引力波事件就是如此，LIGO的激光干涉引力波探测器所取得的数据仅仅是某一时刻的空间波动信号，便决定了两个黑洞的合并事件。而不容置疑的是，在该引力波事件中，除了时空扭曲所形成的引力波之外，还会有辐射现象、温度的骤然上升、对事件周围空间的影响变化，等等，而这些数据一概无从得知，最多以引力波信号作为根据，再进行推算，方可知其一二。在看不见的世界中，人们再也无法如近代科学那样，令实验所取得的经验数据在科学中起到判决性的作用。不过，这种情形并不妨碍科学的进步，“理论是我们撒出去抓住“世界”的网。理论使得世界合理化，说明它，并且支配它。”［7］只要是有助于理论对世界进行说明的事件，都意味着科学在进步。