砸在牛頓頭上的蘋果是因爲引力波嗎？

作者丨李春生（書房記特約專欄作者）

2016年2月11日，全球的人們迎來了一次不分國界和種族的聯歡——引力波被“找到”了，美國加州理工學院、麻省理工學院以及‘激光幹涉引力波天文台’的科學家2月11日在華盛頓舉行記者會，宣布他們利用該天文台升級改造後的兩台探測器在2015年9月14號捕捉到的，據信來自于兩個黑洞合並的引力波信號。經過反複論證後于2月11日確認了這一重大成果。美國東部時間2015年9月14日5時51分，位于利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒後，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。天文學家們認爲探測到的是10億年前的兩個黑洞相互環繞旋轉、合並發出的引力波。這是來自遙遠空間的振動，也可能來自宇宙深處的一對雙星的相互環繞旋轉引起的引力擾動。

引力波是啥呢？

在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播。這種波以稱之爲引力輻射。

在廣義相對論中，引力被認爲是時空彎曲的一種效應。這種彎曲是因爲質量的存在而導致。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率産生變化，並且能夠以波的形式向外以光速傳播。

讀者朋友們看懂了嗎？沒看懂？這就對了。引力波是什麽？砸在牛頓頭上的蘋果是因爲引力波嗎？抱歉，從無所不能的網絡到傳統的圖書館您都不可能找到答案，因爲，根本就沒有人思考過這個問題。

引力波也稱爲引力輻射，這種解釋具有很強的誤導性，人們會以爲所有有質量的物質都會向外輻射引力波，但是，這樣的理解是錯誤的。

按目前的標准解釋，引力波來源于物體在時空中運動激起的時空漣漪。什麽樣的天體才能夠産生可以被探測到的引力波呢？

引力波天文台（探測器）

1.旋進或者合並的雙星系統。例如中子星或者黑洞的雙星系統的相對運動。

2.快速旋轉的致密天體。例如非對稱旋轉的中子星。

3.隨機的引力波背景。類似于宇宙背景輻射，這一類背景引力波，也通常叫做原初引力波，一般認爲是早期宇宙暴漲時的遺迹。

4超新星或者伽馬射線暴爆發。

5．超大質量黑洞的合並，例如兩個雙黑洞在繞轉和最終的合並時，會産生很強的引力波。

我們可以把時空想象爲水面，把運動的星體想象爲航行的船，引力波是航行的船激起的波浪。把超新星或者伽馬射線暴爆發想象爲一個石頭扔進了水裏激起的漣漪。

砸在牛頓頭上的蘋果會産生引力波嗎？抱歉，不知道。

砸在牛頓頭上的蘋果是因爲時空彎曲嗎？抱歉，不知道。

我們知道，愛因斯坦認爲時空爲空無一物的真空，無論是狹義相對論的平直、剛性的空間還是廣義相對論柔軟可變形的“軟體動物”一樣的空間，空無一物的真空如何彎曲？什麽也沒有的空間是什麽東西在波動呢？無論是時空彎曲還是引力波都需要有彎曲和波動的物質。還有，除了萬有引力，宇宙中其他三大基本作用力如何傳遞相互作用力呢？牛頓的引力理論非常成功，但是超距作用難題困擾了牛頓一生，愛因斯坦也要重蹈覆轍嗎（只有智力有缺陷的人才會對這個問題視而不見）？

怎麽辦呢？

愛因斯坦最後的結論（事實上，愛因斯坦的後半生在這個問題上一直在左搖右擺）是空間絕不能是空無一物的真空，他需要爲時空彎曲和引力波理論尋找一種空間介質，以解決這個超距作用這個難題。1920年，愛因斯坦就出人意料地在荷蘭國立萊頓大學宣稱否認以太存在是不合理的，他宣布：物理學家在那個從日常生活中抽象出來的有重物質的觀念之外，爲什麽還要建立起存在另一種物質——以太的觀念呢？其理由無疑在于引起超距作用力理論的那些現象，以及導致波動論的光的那些性質……19世紀上半葉，當光的性質同有重物體的彈性波的性質之間存在著廣泛的相似性已經變得明顯的時候，以太太假說就獲得了新的支持。光必須解釋爲充滿宇宙空間的一種具有彈性的惰性媒質的振動過程，這看起來似乎是無可懷疑的了。從光的偏振性也好像必然得出這樣的結論：以太這種媒質必須具有一種固體特性。因爲橫波只能在固體中，而不可能在流體中存在，這就勢必導致‘准剛性’的光以太理論，這種光以太的各部分，除了同光波相應的微小形變運動以外，相互之間就不可能有任何別種運動。這種理論也叫做靜態光以太理論，它從那個也作爲狹義相對論基礎的菲索（Fizeau）實驗，進一步得到了有力的支持，人們從這個（菲索）實驗必定推斷出，光以太不參與物體的運動，光行差現象也支持准剛性的以太理論……人們可以采取最近便的觀點似乎是認爲以太根本不存在……然而，更加精確的考察表明，狹義相對論並不一定要求否定以太。可以假定以太存在，只是必須不再認爲它有確定的運動狀態，也就是說，必須抽掉洛倫茲給它留下的那個最後的力學特征。”［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第170~174頁］

依照廣義相對論，一個沒有以太的空間是不可思議的，因爲在這樣一種空間裏，不但光不能傳播，而且量杆和時鍾也不可能存在，因此也就沒有物理意義上的空間-時間間隔。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第177頁］

“廣義相對論以太”是這樣一種媒質，它本身完全沒有一切力學和運動學的性質，但它卻參與對力學（和電磁學）事件的決定。［愛因斯坦，《狹義與廣義相對論淺析》，第176頁］

以太又複活了，一切又回到了原點，使它重生的正是曾經的掘墓人，曆史開了一個大大的玩笑，埋藏以太的人變成一個以太的拯救者。但是，如果以太複活，那麽所有建立在真空基礎上的理論都會崩潰。結果，後世的物理學家接受了引力波，卻對“廣義相對論以太”這個名詞諱莫如深，所以現在知道這個名詞的人非常少。請注意，沒有“廣義相對論以太”的引力波存在致命的超距作用問題。超距作用造成奇異性，讓隔山打虎成爲“可能”。我們知道，《封神榜》和《西遊記》就是奇異性的標杆性作品。

問題來了，宇宙中充滿了大大小小的星體和物質，引力無處不在，爲什麽只有雙星環繞公轉、中子星自轉、超新星爆發，黑洞的形成、碰撞和捕獲才能監測到引力波呢？更奇怪的是，宇宙中每時每刻都有無數星體在運動，宇宙空間理應波濤洶湧才對，爲什麽監測引力波這麽難呢？如果這些星體太遠，很難探測，那麽，我們眼前的事務呢？例如一只蘋果。如果說一個蘋果的質量太小，引力太微弱，無法探測到它與地球相互運動産生的引力波，那麽月球圍繞地球旋轉呢？地球和月球可以感受到彼此強烈的引力（想想地球的月亮潮汐），月球的質量相當大，距離也非常近，卻也無法檢測到這兩個星體運動産生的引力波。還有，太陽系有這麽多行星在運動，並且距離也比較近，理應檢測到它們的運動而産生的引力波。但是，沒有！沒有！沒有！爲什麽無處不在的引力波這麽難以被捕捉呢？

我們知道，老式的機械旋轉警燈是紅藍兩個燈互爲旋轉的原理來産生閃爍的紅藍光。水平方向或接近水平方向才能看到‘完整’的閃爍。原理很簡單，當一個燈遮擋住另一個燈的時候才能産生閃爍光（不然看到的只是紅燈藍燈的持續旋轉），兩個燈之間的間距越小，那麽能看到完整閃爍的夾角越大。同樣原理，兩個星球（或黑洞）之間的間距越小，能探測到引力波的夾角越大。也就是說，雙星相互環繞旋轉只有在一個星球擋住另外一個星球的時候（非常狹窄的視角）才能檢測到引力波。我們能否可以這樣推測：因爲雙星系統與地球的相互運動，所以這個可探測夾角是動態的。驗證這個推測的方法是在更大遠的範圍（例如在外太空）設置更多的引力波探測器，探測區域越大、探測器越多定位越精確（減去探測器之間的距離差）。特別是一個方向早于另一個方向探測到引力波，就可以證明這個引力波源不是360度各向同性的，即不會像一顆恒星一樣向四周輻射等量的輻射。

引力波天文台兩個探測器監測到的引力波引發的激光幹涉（我們將這種空間振動轉換爲容易理解的咔哒聲）是怎樣産生的呢？這當然不是持續的空間波動，而是突發的波動（即使是有規律的）。我們知道，機械警燈的閃爍是有規律的光減弱，即一個燈遮擋住另一個燈的時候。同樣原理，引力波天文台兩個探測器監測到的引力波的“咔哒聲”（實爲振動）是雙星中一顆星（或黑洞）遮住另一顆星時引力的疊加或遞減引起的引力擾動。

綜上所述，引力波的確來自于引力，也的確以光速傳播（愛因斯坦這個假設是正確的），引力波天文台兩個探測器監測到的引力波的“咔哒聲”實際上是有規律的引力擾動（振動）。但這種引力擾動（振動）並不能證明相對論的引力作用原理是正確的。引力波的概念並不能解釋引力的作用原理（物質與物質之間怎樣通過引力波互相吸引？），例如人類能夠站立在地球上也是因爲地球以光速向我們輻射的引力波？一只蘋果的落地也是因爲引力波？難道向外輻射的引力波可以對其他物質産生吸引力而不是排斥力？雖然引力波可以解釋雙星環繞時雙星疊加和遞減所引起的引力擾動，但是空無一物的空間無法傳遞任何波動。引力和任何力都不應存在超距作用。因此，檢測到引力波，可以證明空間（場）並非是空無一物的真空。

我們知道，經典物理學的宇宙空間充滿了宇宙微波背景輻射，這是無法消除的“雜波”，量子力學的宇宙空間充滿了激烈的量子空間漲落，這是個“沸騰”的空間。按照引力波生成原理，那麽，因爲宇宙空間中無數星球和星系的運動，宇宙空間的每個角落理應“波瀾起伏”並充斥著引力波。如果所有理論描述的都是我們身處的這個宇宙，那麽宇宙空間的確處于“波濤洶湧”的狀態。我們不能忘記，相對論與量子力學無法統一的主要原因是相對論“平滑的”空間被量子力學“沸騰”的量子空間漲落所破壞，空間任何形式的不平靜都會破壞通過空間彎曲來傳遞引力的引力模式。事實上，引力波與量子空間漲落或是宇宙空間背景輻射都是某種空間波動，都會破壞相對論通過空間彎曲的引力作用模式，引力波使相對論落入自相矛盾的陷阱。

也許有人會說，誰敢懷疑相對論的正確性？

別著急，如果您認爲引力波理論是正確的，那就是說量子力學交換引力子的引力模型（量子引力）就是錯誤的嗎？如果您認爲引力波理論是正確的，那就意味著您認爲牛頓引力理論是錯誤的，因爲只有智力有缺陷的人才會認爲這三種水火不相容的說法都完全正確。您認爲引力波理論、牛頓引力理論和引力子理論哪個才是正確的呢？

理性告訴我們，引力波只是一種引力現象，而不是引力的作用原理。沒有傳遞力的空間介質，無論電磁波的傳播或是引力波的傳遞都是無本之木，缺乏空間介質的理論都是空中樓閣。由此我們就理解了愛因斯坦爲什麽要把他親手埋葬的以太以“廣義相對論以太”的形式複活，但是，以太與真空勢不兩立，選擇了以太，那麽建立在真空基礎上的狹義相對論和廣義相對論（還有量子力學）的邏輯基礎就會被摧毀。從某種意義上講，正是引力波和“廣義相對論以太”的結合摧毀了狹義/廣義相對論的理論基礎，那些爲引力波被證實而歡呼雀躍的人們要失望了。

最後，別忘了今天的問題，砸在牛頓頭上的蘋果是因爲引力波嗎？

當然不是！

砸在牛頓頭上的蘋果是因爲引力子嗎？

當然也不是！

那麽，正確的答案是什麽？

別著急，我們知道，如果方向錯誤，再多的努力也無法接近真相。所以，當我們承認空間並非是空無一物的真空而是由物質構成時，至少，這是朝著正確的方向的努力。

先賢們幾千年積攢下來的思想成果滋養了我們的智慧，他們點亮了一個又一個燈塔，指引著人類的發展方向。沒有人的觀點全部正確，也沒有人的觀點一無是處。有些觀點後來被事實證明是一個個錯誤，那也是他們在錯誤的地方樹立起了一個個指引正確航道的航標燈。