春天来了，风从东方来，也从太空来，吹皱了时空的涟漪。LIGO收到了引力波迟来的问候，恰好是引力波百年生日的礼物——爱因斯坦最早预言引力波就在1916年2月与史瓦西（Karl Schwarzschild）的通信中。然而，爱因斯坦对引力波是否存在，一直都很纠结。在1916年6月发表的第一篇引力波论文^[1]里，他认为：“在所有能想得到的情况下，引力波的辐射都可以忽略。”在这一点上，他显然不像对光线偏折和水星轨道进动那么重视，而且他也没有把引力波作为广义相对论（GR）的基本实验证据——在GR的第一篇完整论文里，他只列了3个实验：引力红移，光线弯曲和行星轨道的进动^[2]。当然，那时他可能没想到引力波是真实的物理效应，因为两年后他才计算了引力波的能量流^[3]。

即使引力波携带能量，它也没令人感觉更实在。如相对论的大功臣爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）就认为它是“虚”（spurious）的，嘲笑它“以思想的速度传播”^[4]。1936年，爱因斯坦自己也差点否定引力波的存在。他在给玻恩（Max Born）的一封信中说，他和一个年轻人（Nathan Rosen）得到一个“有趣的结果”：引力波不存在（I arrived at the interesting result that gravitational waves do not exist），因为他没能得到场方程的非奇异精确解（他大概也没想到区分坐标奇点与物理奇点）^[5]。幸好，从帕萨迪纳来的年轻人Howard Percy Robertson及时帮他纠正了错误，用柱坐标系消除了解的奇异性^[6]。虽然引力波被勉强“留下”，爱因斯坦还是认为它的发射不会减缓波源的运动^[7]。

引力波的疑惑是非线性的（而且是张量的）引力场带来的^{[8, 9]}，爱因斯坦甚至怀疑场方程说明不了多少东西。他的数学感觉远不如物理直觉，他对引力波的态度，以及他在寻求场方程过程中的曲折和他对Weyl规范理论的态度等，都反映了他对物理直觉的自信和对数学形式的迟疑。就像彭罗斯（Roger Penrose）在新版《爱因斯坦传》^[10]的序言中写的，“这时候，爱因斯坦失去了从前工作所表现的自信，只有犹豫和迟疑：他一直说他相信他发现了理论的最终形式，结果却是过几个月就否定了前面的东西，然后又满怀信心提出一个完全不同的纲领。”费曼（Richard Phillips Feynman）也曾对戴森（Freeman Dyson）说过，爱因斯坦的创造力都来自他的物理直觉，当他成为“解方程手”（manipulator of equations）时，创造也就停止了^[11]。40岁以后的爱因斯坦逐渐“淡出”物理学舞台中央，直到最后被主流“晾”在一边，不仅是因为他失去了早年的物理直觉，更是因为他的直觉把他领得太远，走进了“他自己都不能做出可靠的专业判断的领域”^[10]。

在给玻恩的那封信中，爱因斯坦接着（也许顺便）说，他“仍然不相信统计的量子理论”。可他在1918年的文章里说过：“一个完备的量子理论也将一定会修改引力理论”^[3]。他心目中的“完备的”量子理论是以因果律为基础导出的量子理论——这是他为自己设立的三大要务（three desiderata）之一。另外两个要务是：统一引力与电磁力，用连续场论的无奇点解描述基本粒子。所以当他得到有奇点的引力波解时，会不惜否定它的存在。这几个要务显然都是他“自己都不能做出可靠的专业判断的领域”。

今天我们见证引力波的“存在”，可以说是替爱因斯坦完成了他的“未完成交响曲”。这是一部大曲，相比之下，GR的其他几个实验只是小插曲——它们只是对确定现象的确定计算的检验。引力波的舞台是整个宇宙时空，不同来源的波有不同的频率（如脉冲星~μHz，超大质量黑洞~mHz，一般黑洞~100 Hz），产生不同的效应，需要不同的模型和工具来观测。1974年发现的脉冲双星PSR1913+16只是间接透露了引力波的信息^[12]，对GR的意义更像水星近日点的进动，因为拉普拉斯（Pierre-Simon marquis de Laplace）和庞加勒（Henri Poincaré）早就想到引力系统会失去能量（当然，两位前辈的想法都有 “特设”（ad hoc）的意味，犹如狭义相对论之前的以太和曳引系数）。

GW150914是对相对论的多重检验，不仅证明引力波的存在，也检验相对论的数值模型。Kip Thorne就一直相信最可能首先看到2个黑洞“约会”^[13]。根据2个黑洞飞旋着相互靠拢（inspiral）时发出的引力波，可推测黑洞的质量、自旋和表面积。根据它们碰撞（collision）时产生的引力波，可了解强烈弯曲状态下的时空动力学。最后2个黑洞合二为一，爆发一声铃响，然后铃声衰减（ringdown），根据“渐行渐远”的波，可推测合并后的黑洞的质量、自旋和表面积。图 1是数值模拟的黑洞碰撞过程的引力波形的草图^[14]。从GW150914还知晓了黑洞的形成背景、大小和距离，推测了双子黑洞约会的几率（单位时空里的黑洞相遇事件）。一般说来，引力波会透露更多的消息：黑洞如何失去“多余的毛”，约会后留下一个洞还是一个裸露的奇点——引力波的数值模拟可以生成裸奇点，霍金因此承认“宇宙监督”输了^[14]。

观测引力波当然不是为了“检验”，而是为了发现。1989年，Kip等在向美国科学基金会申报LIGO项目时，提出2个终极目标（ultimate objectives），一个是检验：检验GR的预言，测量引力子的静止质量和自旋，研究引力的非线性动力学；一个是发现：为宇宙打开不同于电磁天文学和粒子天文学的新窗户。

引力波能打开窥天的新窗户，是因为它能看得更远、更深。引力波可能“看见”黑洞和奇点，这是电磁波和其他基本粒子做不到的。电磁波的眼睛能看到宇宙爆炸10万年以后的景象（如CMB），粒子的眼睛（如中微子）能看到大爆炸1 s之后的景象。只有引力波，从大爆炸出来而不会丢失原始信息，才能看到宇宙大爆炸的开始（图 2）^[14]。

2000年，Kip在60岁时预言和猜想了引力波的愿景：精细的时空弯曲地图，黑洞碰撞、中子星碰撞以及中子星与黑洞的碰撞编目（犹如恒星和星系的编目），致密星体核的物态方程，大爆炸奇点的引力波，原初黑洞（霍金认为的暗物质候选者）。这些将促进我们认识极早期宇宙和探索Planck尺度物理学，判别不同的宇宙模型。来自大爆炸的引力波可能让我们认识暴胀期的一级相变（对称自发破缺）和宇宙弦（时空拓扑缺陷）（图 3）^[15]。而更激动人心的是，我们能画出犹如CMB那样的大爆炸背景引力波分布，像Penrose 从CBM“看见”共形循环宇宙一样^[16]，透过原初的引力波看见新的宇宙图景。

爱因斯坦相信“完备的”量子论会修改引力论，超弦理论因为“预言”了自旋为2的引力子而成为可能的“量子引力论”。在超弦图景中，引力子是弦圈，不受膜的束缚，能跑到高维空间，于是引力波还肩负着探索额外维空间的使命，而额外维是否存在，也决定着超弦论的命运。有趣的是，也有人认为引力子是一种暗物质（它的引力波信号也许藏在脉冲星里），如果LIGO真的如Kip期待的那样测出引力子的质量，那必然拉开真正的量子引力论的大幕。

当广义相对论与量子论联姻时，引力波的观测原理和方法也可能发生革命性的变化。例如，伯克利加州大学的乔瑞宇（Raymond Y. Chiao）就考虑将电磁波转换成引力波，用超流氦的量子液滴的振动来探测引力波。通过电磁场与引力波的转换，还可能直接在引力波中看到CMB^[17]。

引力波从爱因斯坦的思想体操进化为当代大科学，当年没找到以太的Michelson-Morley干涉仪如今升级为大尺度的LIGO和LISA，令人惊叹科学和技术的进步；然而千百万人追逐一个百年前的“幽灵”，又不禁令人慨叹今天的思想的苍白。LIGO申请报告的开头引用了马基雅维利（Niccolò Machiavelli）《君主论》的一句名言：“没有比引领事物的新秩序更难把握、更冒险和更不确定的了。”（There is nothing more difficult to take in hand,more perilous to conduct,or more uncertain in its success,than to take the lead in the introduction of a new order of things.）我们今天缺的也许正是引领新秩序的思想，引力波的春浪能激起思想的波澜吗？

文/李泳

作者简介 李泳，中国科学院成都山地灾害与环境研究所研究员，研究方向为地表过程动力学、数学物理的普及等，电子信箱：ylie@imde.ac.cn。