理性和理想的勝利

孫慕天

量子力學的偉大先驅狄拉克說過：“廣義相對論也許是人類曾經作出過的最偉大的科學發(fā)現。”這是真正原創(chuàng)性的理論，是科學理性威力的強有力的證明，愛因斯坦自己也對這項成就充滿自豪：“要是沒有狹義相對論，總有一天也會有別人來發(fā)現它；但是我認為，廣義相對論的情況不是這樣。”科學的事業(yè)是理性的事業(yè)，無論這一結論在科學哲學上存在多少爭議，但愛因斯坦無疑是擁有最高科學理性的人，而引力波正是這位科學巨匠最輝煌的理性成果。

還在愛因斯坦生前，廣義相對論的三大實驗預測—水星近日點的進動，光線在強引力場中的彎曲和引力紅移都已經得到觀測結果的證實。唯有引力波的預言，此前只有間接的觀測驗證，卻始終沒有直接在地球上被探測到。

現代科學哲學的一個普遍的共識是觀察荷載理論，如薩普所說：“人們在審視同一現象的時候，依憑不同的理論就會觀察到不同的事物?！保ㄕ訤.Suppe： The Structure of Scientific Theories）這是對理性在科學中地位的新認識。理論始終是實驗的先導和指導，如波普爾所說：“理論支配著實驗工作，從它開始計劃一直到在實驗室里最后完成?！保ㄕ圆ㄆ諣枴犊茖W發(fā)現的邏輯》）

引力波探測之所以經歷整整100年的漫長歲月，這是由引力輻射的特殊物理性質決定的。溫伯格說，“在普通原子過程中產生的引力輻射數量極微”（摘自S·溫伯格《引力論和宇宙論》），例如太陽以引力波形式所輻射的功率要比電磁波小1023到1024倍，僅約為1瓩。正像蘇聯物理學家福克所指出的：“在所有討論當中，除了純理論的討論而外，引力波的作用是完全可以忽略不計的?！保ㄕ鸳！ぇ　じ？恕稌r間、空間和引力的理論》）所以，探測引力波的實驗能否成功，關鍵在于應對引力輻射微弱這一客觀矛盾，找到合理的實驗設計思路。

引力波探測的理論根據是愛因斯坦提出的基本思路—“引力波的能量可以在怎樣的程度上傳遞給力學體系”。愛因斯坦肯定“起作用的波是一個傳遞能量的波”（摘自《愛因斯坦文集》），而來自引力波的能量增量是可以根據引力波方程計算出來的，如果所設計的觀測儀能夠測出來自輻射源的引力波所造成的物理效應的量值，比較二者的擬合程度，就可以成功地檢測到引力波了。

引力波探測實驗明顯地遵循兩個思路。

第一個設計思路是韋伯在1960年做出的，他在當年美國《物理評論》第117期上撰文稱探測到了引力波。韋伯裝置的原理是，使用具有自然振動的、自由模式力學系統的共振四極天線，當引力波頻率與該系統一致時，發(fā)生共振產生電壓信號。由于諧振子發(fā)出引力輻射的損失率依賴于截面的量級即天線的總尺寸，而韋伯裝置已經是一個長153cm，重1.4×106g的鋁柱，體積的增大顯然是有限度的。而且，這一裝置不能通過調諧使任何引力波頻率與之一致而產生共振。當時已有眾多研究機構（至少有12個以上）致力于同樣的探測，卻均無果而終。1973年4月27日在牛津都靈學院的相對論討論會上，格拉斯哥大學的德雷福爾指出：“其他觀測者發(fā)現，要重復韋伯的結果是很困難的?！庇蹲匀弧冯s志記者對這次會議所作報道的標題就是—再見，韋伯的引力波。（摘自《科學與哲學》研究資料）1974年，在麻省理工學院召開的第五次相對論討論會上，加溫和道格拉斯指出，韋伯誤判為引力波的信號是噪聲。

第二個設計思路是遵循邁克爾遜干涉儀的原理。1887年，邁克爾遜和莫雷用光學干涉儀檢測以太，假定確有以太存在，那么存在同一光源發(fā)出的光信號，在沿地球前進的方向發(fā)出并反射回來的時間，一定會大于沿垂直方向發(fā)出的光信號往返的時間，這一光程差會通過干涉條紋的變化顯示出來。這一實驗的零結果證偽了以太的存在，為電磁波傳播速度即光速的不變性提供了有力的實驗證據。如果做一類比，引力波是否存在就像以太是否存在一樣，應當可以通過對引力輻射信號造成的影響來進行檢測。按照這一思路設計的LIGO（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，激光干涉引力波探測儀）， 設計了激光通過的L型垂直雙臂，讓從激光器發(fā)出激光，分成強度相等的穩(wěn)定的單色頻率激光束分別進入兩個長臂，如果引力波從垂直方向進入，就會造成一臂拉長、一臂縮短的變化，產生光程差，引起干涉條紋的變化。因此，只要觀察到這樣的光學效應，就可以根據頻譜曲線和理論計算結果的擬合程度，確定引力波的存在。

科學實驗要求遵循可重復性、對照性、隨機性等原則，LIGO的引力波探測根據這些基本的原則，已經和正在經受進一步的檢驗。這次引力波探測設置了漢福德和利文斯頓兩個LIGO激光干涉儀；事件發(fā)生后0.4秒，費米太空望遠鏡觀測到來自雙黑洞系統的伽馬射線暴；經測算GW150914的誤警報率強度是20萬年1次。當然，可證偽性是科學理性的硬標準，GW150914仍然不能說是定論，還有許多可以質疑之點，整個科學界還要進行進一步的檢驗。但是，這畢竟是跨度長達半個世紀的嚴格的科學活動，是閃耀著理性光輝的科學創(chuàng)造性行為。

科學事業(yè)既是理性的，又是理想的。

引力波探測曠日持久，耗資巨大，而且至少在可以預見的將來看不到直接的物質利益。這一設計最初是1960年代由美國休斯實驗室的福沃德首先提出的，1972年麻省理工學院的韋斯提出了LIGO的最初構想；索恩說服了加州理工學院支持LIGO，原在格拉斯哥大學工作的德雷弗也參加進來；1991年得到美國科學基金會的支持開始建設LIGO，直到2015年9月14日才成功探測到了引力波GW150914，前后歷時近半個世紀，可謂曠日持久。這一項目技術要求極高，其精確度相當于地月距離誤差僅為原子半徑大小，所用反射鏡的亮度達到300萬個光子入射僅1個光子反射出來，而距離4km的長臂在引力波入射時距離變化是10-18m，激光通過的空腔真空度為萬分之一大氣壓。所以參與工作的一位科學家說LIGO是“世界上最精密的測量儀器”。這樣的工程需要龐大的資金投入，據估算總投資高達6.2億美元（相比之下，我國阿里的原初引力波探測項目總投資僅6900萬美元）。GW150914的引力波探測有100多所高校參與其中，工程設計建造，儀器操作維護，數據搜集分析等項工作動員了1000多名專業(yè)人員。顯然，引力波探測是典型的大科學工程。問題是，雖然從減震、激光和極低噪聲等項技術說，LIGO會帶來一些附加的實際效益，但從該項目本身說，至少在相當長的時間內不會帶來任何經濟效益。

既然如此，為什么還要做這種徒勞無益、勞民傷財的事情呢？當然，從功利主義的角度說，基礎科學的重大進展最終會成為新技術革命的基礎，是產業(yè)革命的根本動力。但是，對科學家來說，功利目標卻不是基礎研究的直接動機。愛因斯坦在紀念普朗克60歲生日的講話《探索的動機》中說：“渴望看到這種先定的和諧，是無窮的毅力和耐心的源泉”（摘自《愛因斯坦文集》），他斷言：“科學探索的發(fā)展主要在于滿足對純粹知識的渴求?！保ㄕ浴稅垡蛩固拐Z錄》）那些孜孜以求忘我投身引力波探測的學者，身上流著的正是愛因斯坦的血液。

韋伯早在1959年就提出探測引力波的設想，那時沒有任何相關實驗裝置的資料可供參考，完全是白手起家。到1967年，他經過整整兩年的觀測得到1657赫茲的10個事件，可謂千辛萬苦。他同時還設計了一種特別精細的重力儀，進行噪聲輸出研究，在兩個相距1000公里的共同裝置上，在0.4秒的分辨時間里同時記錄到17個共同激發(fā)事件。但是，主要由于設計方案和技術水平的限制，韋伯的實驗以失敗告終。盡管如此，韋伯這種蓽路藍縷、堅持不懈的探求，成了引力波探測史上悲劇性的開篇。WG150914的成功正值韋伯初次用實驗在地球上直接探測引力波50周年，索恩高度評價這位先驅者說：“他是這一領域真正的父輩先驅?！痹谛侣劙l(fā)布會上，有記者問韋伯的第二任妻子特林布爾，她的丈夫是否真的看到了引力波，她回答說：“我不知道，但是我認為，有兩種技術向前推進，相互促進，作為合作者而不是對手，就會更快地完成（引力波的）探測?！保ㄕ訰emembering， JosephWeber：the Controversial Pioneer of Gravitational Wave）

從總體上說，WG150914的成功體現了科學社會學家默頓所說的科學的精神氣質，首先是科學的無私利性。從宏觀上說，美國國家科學基金會對待基礎科學的原則是“重申請，輕完成”，80%的精力致力于立項和審核，只有20%的精力去管理項目。作為項目主要依托單位的加州理工學院和麻省理工學院，都特別偏重科研和學術，重視基礎科學工作；從學術氛圍說，兩個學校都反對急功近利，支持原創(chuàng)性，鼓勵“有完全自由樂趣的思考”；對待科學人才的評價重在研究經歷、才能和潛力，不計較與學術無關的社會方面的“短板”，所以被稱作“呆子的天堂”。兩所院校研究團隊也有許多恩怨摩擦，但是終究能夠放下一切嫌隙，精誠合作。天才的理論物理學家索恩和卓越的實驗物理學家韋斯緊密配合，使不同類型的科學精英人盡其才，帶領一批有理想有才能的學術精英，組合成一個充滿創(chuàng)造力的科學共同體，其精神支柱就是揭開引力波之謎這個崇高的科學理想。

當然，美國也不是理想的科學凈土。諾貝爾獎得主科恩伯格曾慨嘆，在美國科學界缺乏“對從事基礎研究抱有濃厚的和主動的興趣的人”，很多人是以財源是否茂盛來選擇他們的興趣中心。（摘自G·拜林斯基《美國科學研究存在的問題》）這也許是市場經濟下基礎科學研究面臨的普遍問題?？茖W不是存在于真空之中，它總要受到各種社會利益需求的制約。科學哲學家基徹爾提出“良序科學”（Well-order Science）的概念，認為現實的科學決策是追求客觀真理的理想和公私利益的需求之間的合理統一。（摘自Philip Kitcher： Science， Truth and Democracy）但是，對純科學（基礎科學）來說，放在第一位的永遠是對真理的追求。引力波探測的過程正凸顯了科學作為追求真理的事業(yè)這一本性。愛因斯坦說過：“人們對于他們直接需要范圍以外的東西，一般是看不到的。對于直接生產物質財富的工作，他們才愿意付出代價。但是科學，如果要繁榮，就不應當有實用的目的。作為一個普遍的規(guī)律，科學所創(chuàng)造的知識和方法只是間接地有助于實用的目的，而且在很多情況下，還要等幾代以后才見效?！保ㄕ浴稅垡蛩固刮募罚┊斍埃A科學的發(fā)展已經成為制約中國科技進步的最大瓶頸，也許引力波探測的成功帶給我們深層啟示，正是在于如何堅持科學的理性和科學的理想。

（作者為哈爾濱師范大學教授）

責任編輯 孟 瑋