《宇宙之書——從托勒密、愛因斯坦到多重宇宙》撥開引力波的百年迷霧 _宇宙

《宇宙之書——從托勒密、愛因斯坦到多重宇宙》撥開引力波的百年迷霧（（英）約翰·D.巴羅著李劍龍譯人民郵電出版社 2013年4月定價：39.00元）
（報道）據南方日報（林文俏）：猴年伊始，世界最具爆炸性的科學新聞無疑是美國科學家2月11日宣布第一次直接探測到引力波的存在。引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”，它被直接探測到是現代物理學新的里程碑。由于引力波的探測十分困難，百年來，對引力波是否存在充滿爭議，甚至連其預言者愛因斯坦對其是否存在也曾動搖過。
宇宙自古以來就激發著人類無盡的好奇和想象。唐詩宋詞，留下多少星空佳句？明清小說，講述了一個個星空神話故事。愛丁頓、霍伊爾、霍金，英國有許多一流的宇宙學家。他們中很多人都非常喜愛且擅長撰寫科普作品。劍橋大學應用數學與理論物理學系教授約翰·D.巴羅的科普名著《宇宙之書——從托勒密、愛因斯坦到多重宇宙》，帶領我們追蹤現代天文學的前沿進展，縱覽“奇異得超乎我們想象”的宇宙。這是一部宇宙學發展史，訴說了從亞里士多德、托勒密、哥白尼到愛因斯坦，從古至今，人們對于我們所在宇宙的無盡探索。這是對宇宙學現代理論的全面介紹，梳理了人們從愛因斯坦場方程中得到的種種奇異的宇宙現象，撥開引力波的百年迷霧。
引力主導了天，讓宇宙星系有序地形成和演化；主導了地，讓我們生活的地球分成了各個圈層。17世紀末牛頓從下落的蘋果，提出“萬有引力”概念——物體質量的存在導致了引力。兩百多年里它被認為是絕對真理。1915年愛因斯坦提出廣義相對論，革新了牛頓的經典引力觀，提出了引力的本質是“時空的彎曲” 。1916年愛因斯坦預言引力的作用以波動的形式傳播。如同石頭丟進水里產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時空漣漪” 。從預言到探測，物理學家等待引力波的到來已有一百年之久，為什么引力波這么難得一見？自然界中存在四種作用力：萬有引力、電磁力、將質子和中子結合在一起的強力、使中子衰變為質子的弱力。相比較其他的4種力，宇宙引力是最弱的。地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進，發出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大質量天體的加速、碰撞和合并等事件才可以形成強大的引力波，但能產生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠，傳播到地球時變得非常微弱。百年來，科學家們對引力波的探測未曾停歇，但舉步維艱。上世紀70年代，美國科學家在觀測雙星系統的過程中，發現引力波存在的間接證據，并因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。100年來不斷有實驗聲稱直接探測到了引力波，但后來都被證明是烏龍。20世紀90年代起，大型激光干涉儀引力波探測器開始在全球范圍內興建，真正拉開了引力波探測黃金時代的序幕。
由于引力波的探測十分困難，百年來，對引力波是否存在充滿爭議，甚至連愛因斯坦也曾動搖過。愛因斯坦當年曾揚言人類永不可能發現引力波。愛因斯坦之后的宇宙研究再也不是觀察星空的研究，而是計算公式的研究。奇妙的宇宙綻放在公式里，或膨脹或扭曲或分裂。1932年，愛因斯坦離開了歐洲，去了新澤西州新建成的普林斯頓高等研究院。路上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。他重新開始考慮求解他的方程組。1935年，他得到了一個年輕的研究助理納森·羅森的幫助，幫他進行數學計算。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。這種形狀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。這種圓柱狀宇宙有一個令人驚詫的新特點，這是以前從愛因斯坦方程組找到的其他宇宙模型中從來沒有過的。這種圓柱狀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。就像一筒卷紙松開的時候向外一層層地脫去。這是愛因斯坦第一次對他1916年預言的引力波提出具體波形（柱狀波）想法。這種引力波的想法引起了一些爭議。有些人認為這只不過是在“紙上談波”，它們并不對應宇宙空間中任何真實存在的波的起伏。有些人則認為這是真實存在的波。在爭議中，愛因斯坦和羅森也曾懷疑這種柱狀波并非“真實存在” ，它只不過是他們選擇的坐標系的“人造產物” 。1936年夏初，他們向美國的頂級物理學期刊《物理評論》寄出了自己的論文。文中聲稱，他們的新宇宙學模型中的引力波并非真實存在。7月23日，對廣義相對論技術細節了如指掌的美國科學家霍華德·羅伯特遜的審稿意見寄給了愛因斯坦，他明確地認為，這個宇宙模型中的柱狀引力波是真實存在的，并要求作者考慮他的這個意見。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。愛因斯坦放棄了懷疑，修改了自己的論文。
【《宇宙之書——從托勒密、愛因斯坦到多重宇宙》撥開引力波的百年迷霧】廣東是中國引力波研究中心。中國本土重大引力波探測工程中山大學“天琴計劃”已經于2015年7月份正式啟動。