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引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第3章 广义相对论
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基普·索恩是一位偶像级的天体物理学家，也是一位才华横溢、有影响力的相对论学者。他下颌上蓄着倒三角形白色胡须，在周围深色络腮胡子的反衬下，就像从栗色翻领下露出来的白色衬衫。他留着一头飘逸长发的日子早已逝去，但他在20世纪六七十年代的放荡不羁的风格始终鲜明。作为一名天体物理学家，基普的业内影响力几乎无与伦比，以至于任何关于他的溢美之词反而会令人诧异。他的具体信息，包括发型、身高、肤色等，都受到了人们的过分关注，甚至被放大到近乎扭曲的程度。
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20世纪70年代末，基普已经是加州理工学院的一名颇有建树的教授了，但他仍然希望从事一些“大”项目。基普的专业是理论研究，由于知识渊博、治学严谨，因此在高度抽象的研究领域，他可以纵横捭阖、挥洒自如。但是这一次，基普希望加州理工学院开展一些具体的观察研究。基普觉得自己拥有种种有利条件，再加上满腹经纶，因此他有义务探索宇宙的奥秘。在一次美国东北部的旅行中，他一直在思考一个问题：“既然我拥有如此多的有利条件，我到底应该做些什么呢？”为了寻找灵感，他迈着轻快的步伐，在陌生的街道上漫无目的地走着。也许他并没有抬头仰望，用采矿人员评估珍贵矿藏的眼神认真地审视天空，但是宇宙中蕴藏的财富的确勾起了他的觊觎之心——他考虑可以将宇宙中的哪些财富“窃取”到地球上来。最后，他断定，他应该带领加州理工学院走上引力波探测这条道路上来（这更有可能是灵光乍现的想法）。
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基普·索恩一家搬到犹他州的时候，那里还没有修建铁路。索恩家族的上几代人都是传统的摩门教徒，他的父母受过教育、提倡男女平等，这在当时的社会环境中是一种离经叛道的行为。基普的父亲怀恩·索恩是一名土壤化学家，在犹他大学任教。由于当时的法律禁止任人唯亲，基普的母亲艾莉森·科尼什·索恩无法与她的丈夫在同一所学校任教，尽管她拥有经济学博士学位。她在学校里开展了一个妇女研究项目，但不担任任何正式职务。在基普的父亲去世多年后，他的母亲把全家人召集在一起，宣布集体脱离教会，以抗议教会歧视女性的行为。（当指明全家人包括母亲、三个女儿和两个儿子时，基普俏皮地说道：“我们是一个信奉摩门教的小家庭。”）教会倾向于将女性排除在外，但是不愿意放弃男性教徒。基普笑着说道：“我们费了好大力气才说服教会同意我们一家人的退会要求。”基普的母亲去世后，当地报纸在头版头条为她刊登了讣告：“激进的老太太去世”。时至今日，基普对母亲的敬意依然丝毫不减，我想他的自由精神（我想不出有哪个词语可以更准确地描述基普）可能就是源自他的家庭。
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基普从小的志向是开铲雪车，但是8岁那年，母亲带着他参加了一个天文学讲座，他的职业规划从此发生了变化。基普与天文学的初次接触具有很强的偶然性，实际上，从小在犹他州长大的他数学成绩非常好，成为一名天体物理学家似乎是注定的事。在遇到名师约翰·阿奇博尔德·惠勒之前，他早已放弃了当铲雪车司机这个儿时梦想了。
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1952年，惠勒在普林斯顿大学首次开设了相对论方面的课程，比基普到普林斯顿就读的时间大约早10年。惠勒开设这门课程的目的是以教促学、教学相长，这是物理学教授们经常采取的一种策略。从此以后，惠勒把他的余生全部奉献给了广义相对论研究。他一生指导了46名物理学博士（其中最有名的毫无疑问是理乍得·费曼）。惠勒不仅为美国培养了包括基普在内的第一批重要的相对论学者，还为随后一批批相对论学者的培养创造了有利条件，他因此被奉为“美国相对论之父”。我至今仍记得惠勒参加普林斯顿午餐会（出席午餐会的来宾要向在座的人介绍自己的研究）的情景。当时，惠勒已经80多岁了，他坐在那儿，就像王室成员一样引人注目。由于听力已经衰退，他必须借助一只喇叭状助听器与人交流。（不过，我不确定那个喇叭状助听器是不是我臆想出来的。）
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在研究相对论之前，惠勒参与了核武器项目的研究。从1942年至第二次世界大战结束，他一直在从事钚反应堆的设计与使用等工作。这些钚装置功能强大，预计可以产生2.5亿瓦的能量。如果用于照明，即使不足以让两个时代广场灯火通明，也相差不远。这些原始电能被封存在一个装置之中，由战斗机携带至目标上空后投掷到地面，其爆炸后释放的能量相当于2万吨TNT炸药爆炸产生的能量。钚原子弹在美国的沙漠被成功引爆后，尤里乌斯·罗伯特·奥本海默引用《博伽梵歌》中的语句，发出了“现在，我化身为死神，变成了无尽世界的摧毁者”的感慨。这一幕给世人留下了深刻的印象。不到一个月的时间，铀裂变成名叫“小男孩”的核弹在广岛上空爆炸，三天后，钚裂变成名叫“胖子”的核弹在长崎上空爆炸。
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在意识到自己肩负的公民义务之后，惠勒毅然面对使命召唤，将个人牺牲与家庭压力抛到脑后、投笔从戎，参加到这场战争中。在此之前，他经常坐在普林斯顿大学数学系大楼的茶歇室里，一边享受可以与英国大学相媲美的优雅氛围，一边通过收音机了解战争的进程。尽管他与一些流亡学者是好朋友，与艾尔伯特·爱因斯坦的关系也非常亲密，但是他认为关于德国人暴行的传闻根本不可信，都是谣言。惠勒是德国物理学会的会员，他可以接触到德国人的宣传材料。据惠勒描述，他的同事们看到他若无其事地阅读那些宣传材料时都感到焦虑不安。惠勒在回忆录中写道，因为同情德国和相信德国的统治有助于维持欧洲稳定，他遭到了父母的训斥，直到后来随着战争的推进，他对德国的同情心才消失。随着越来越多的新闻报道德国人的暴行，惠勒终于充分认识到自己的错误。他在回忆录中坦承自己的判断是错误的，还谈到了他的父母对这件事的看法。惠勒写道：“50多年过去了，现在几乎记不清我当时是怎么想的了……尽管我不遗余力地为打败德国纳粹贡献自己的力量，但是我始终坚信，无论是哪个国家的人，其本质都是好的……战争接近尾声时，我有了更深入的了解，但是直到我于1947年参观了奥斯维辛集中营，我才真正地了解到德国法西斯有多么残暴。”
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1941年12月8日，即珍珠港遭到袭击的次日，美国对日本宣战。美国各地的物理学家纷纷放下手上的学术工作，奔赴麻省理工学院的“夹板宫殿”，以及位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市和田纳西州橡树岭市的核研究机构，寻找报效国家的机会。惠勒也决心做出自己的贡献。从1942年年初开始，惠勒先后在伊利诺伊伊州的芝加哥和特拉华州，为这场战争尽自己的一分力。1944年，为了帮助美国击败德国，他来到华盛顿州汉福德的巨型钚反应堆旁，开始了原子弹的研发工作。几周之后，反应堆启动了。此时，被部署到欧洲战争的他的弟弟乔伊在行动中失踪的消息传到了惠勒耳中，这让惠勒研发核武器的念头变得更加坚定了。惠勒写道：“直到1946年4月，人们才在乔伊阵亡的小山上找到他的遗体，以及乔伊的一名战友的遗体。由于经过了18个月的时间，他们的遗体已经变成了一堆白骨。”在原子弹的使用遭到质疑时，惠勒的回答与他在回忆录中的说法一致：“如果原子弹计划早一年启动、早一年完成，就会有1 500万人幸免于难，我的弟弟乔伊也不会惨遭不幸。这是任何人都无法否认的事实。”
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由于“冷战”愈演愈烈，为了确保国家安全，美国开始研发氢弹。1950年，惠勒参与了这项工作。亲朋好友和同事不认可他的理由，对他提出了批评。惠勒感到十分痛苦，但是他义无反顾。刚开始的时候，奥本海默也认为氢弹有可能成为一种不受控制的武器，因此反对氢弹研发计划。（后来，奥本海默的立场发生了改变，支持实施这个项目。）尽管惠勒没有在1954年奥本海默安全调查听证会上做证（此次听证会剥夺了奥本海默参与秘密项目的资格。爱德华·泰勒因为在听证会上提供了不利于奥本海默的证词而声名狼藉），但是对于听证会的证词及判决结果，惠勒并非完全不认同。我之所以使用这个拗口的双重否定句式，是因为我无法更准确地描述惠勒当时的心理。不过，基普非常清楚惠勒到底是怎么想的。基普告诉我，根据他与惠勒的交谈，他可以直截了当地说：对于听证会的结果，惠勒是赞同的。
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在感觉到使命召唤的迫切性减弱之后，惠勒调整了自己的研究方向，把注意力重新放到纯科学研究上面。他参与核动力研究的经历对他的研究兴趣产生了积极的影响。历经艰辛才掌握的核物理知识，最终演变成伤人性命的可怕利器。这些冷冰冰的物理规则不受道德的影响，在远离地球的地方同样适用，还可以完美地解答那些庄严神圣的问题，例如“太阳为什么可以发出耀眼的光芒？”，对原子弹“小男孩”与“胖子”研发过程中用到的知识稍加改造，就可以回答这类问题了。活恒星通过热核反应燃烧氢元素，让自己悬浮在宇宙中，持续不断地发出明亮的光。太阳每秒钟要燃烧成千上万吨氢燃料，就相当于一个不断爆炸的氢弹。燃烧产生的热能可以长时间地让太阳保持膨胀、高压的状态，抵抗引力坍缩的作用。几十亿年之后，由于太阳上的氢元素逐渐稀少，核聚变无法产生足够的能量，这个“大火炉”就会冷却下来，向外的辐射压再也无法维系太阳表面的大气层了。在自身引力的作用下，太阳开始坍缩。接下来，会发生什么情况呢？惠勒认为，引力坍缩的最终状态是他那个时代亟待解决的最重要的物理问题。
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恒星坍缩问题激发了惠勒对引力的研究兴趣。研究死星的坍缩及其最终状态，不仅需要核物理知识，还要对引力有所了解。更何况，引力早已变成以数学语言描述弯曲时空的广义相对论的同义词。对于垂死恒星而言，引力想要压碎它，而核聚变反应产生的向外辐射力则想要抵抗向内的引力。在这场对抗中，谁会获胜呢？
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1939年，尤里乌斯·罗伯特·奥本海默与学生哈特兰·斯奈德共同发表了一篇开创性的论文。他们认为，在理想状态下，庞大、致密的死星会自行坍缩，最终消失得无影无踪。由于当时正处于第二次世界大战期间，死亡的巨大阴影笼罩在人们心头，因此他们的研究成果并没有立即引起注意，他们自己也把研究的触角伸向了其他领域。20世纪50年代末，约翰·惠勒注意到了奥本海默的这项研究。他提出了一些批评意见，结果引起某些人的不满。惠勒认为，奥本海默的结论过于简单，而且脱离现实，因此并不可信。惠勒推测死星不会不受限制地坍缩，奥本海默给出的最终状态也站不住脚。随后，他带领他的普林斯顿团队，借助战后科学界对核裂变、核聚变的深刻了解，以及某些新型计算机，对这个问题进行了深入研究。最终，他们提出的那些质疑都得到了完美的解答，还为那些垂死恒星签发了“病危通知书”。
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几十年的研究结果表明，恒星的最终死亡状态有三种。第一种状态是，与太阳相似的恒星将变成白矮星（white dwarf），也就是由简并物质（degenerate matter）构成的温度较低的星体。它的大小与地球差不多，高密度的电子所产生的向外辐射压力足以帮助它摆脱彻底坍缩的命运。第二种状态发生在一些质量更大的恒星身上。这些死星最终将变成稳定的中子星，中子星是由简并物质构成的密度更大的星体，直径约为20~30千米。由于致密的中子可以产生巨大的向外辐射压，因此中子星也可以摆脱彻底坍缩的命运。第三种状态发生在那些质量最大的恒星身上。由于无法产生向外辐射压，这些星体必然会不受限制地坍缩。
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1963年，惠勒大步走上讲台，做了一个关于持续性引力坍缩的报告。这个报告对25年前奥本海默与斯奈德的断言给予了肯定，但值得注意的是，奥本海默并没有出现在听众席中，而是和他的朋友一起坐在礼堂外面的长凳上聊天。原因究竟是惠勒的批评让他一直耿耿于怀，还是他无意与惠勒和解，又或者是他不愿参加惠勒的庆功会，人们不得而知。此时，“世界摧毁者”奥本海默的研究兴趣已经发生了变化。他不再关注理论物理的研究，尽管他在这一领域做出了极富想象力也十分重要的贡献。1967年，奥本海默去世。不久后，惠勒在一次做报告时遇到了一个问题。由于需要描述死星的最终状态，他不得不反复提到“完全坍缩的引力”这个表述。这让他不胜其烦，准备找到另一种表述。结果，听众席里有人喊道：“用‘黑洞’这个词怎么样？”
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（关于这个逸闻，雷纳评论道：“真正的过程远比这个复杂，不过我们姑且不谈它。”）
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恒星在坍缩时，要克服电子遭到挤压后产生的排斥力，还要克服中子的排斥力。在构成恒星的物质受到足够大的压力的情况下，坍缩星体周围的时空曲率变得无限大，就连光线也会被吸进去。随着坍缩的持续，光最终也无法从恒星表面逃逸，就好像恒星物质遭到挤压后，其背后的弯曲时空正在高速旋转，而且旋转速度比光线向外传播的速度还要快。让周围物质有来无回的黑洞的边界，即事件视界（event horizon），正好内接于弯曲时空中。事件视界投下一个漆黑无光的暗影，黑洞就这样形成了。黑洞不再是星体，甚至不是一个实实在在的物体。恒星物质被黑洞吞噬之后，就会形成暗影状的事件视界。
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在惠勒的邀请之下，基普·索恩加入了黑洞与量子力学的研究行列，成为研究相对论的第一代物理学家。基普生逢其时，在他那个年代，一些重要的天体物理学问题悬而未决，等待人们利用相对论去揭开它们的神秘面纱。此外，基普才华横溢，足以让他在这个领域大展拳脚。
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基普上学期间成绩优秀，得过奖学金，与人合作时从不耍诡计。第二次世界大战爆发时，基普还非常年轻，是一名新式的和平主义者。我最初把基普简单地定义为和平主义者，结果他更正了我的说法：“我远谈不上是和平主义者。我经历了第二次世界大战以及战后的恐怖岁月，因此，我不可能是一名和平主义者。”但是，他的政治态度与他的导师有所不同。在基普看来，导致“冷战”军备竞赛的因素是狂妄与无知。参与升级热核武器计划的颇具争议性的行为，毫无疑问是惠勒的学术背景的组成部分。氢弹可能是一件威力无比的武器和大屠杀的利器。基普在想到这种超级炸弹时，脑海里会不由得蹦出一个词——令人发指。基普自己感兴趣的是纯粹的天体物理学，它的研究意图非常简单，追求的是纯粹的知识，而且这些知识不属于私人所有，而是全人类共有。超级炸弹违背道义，但是超级炸弹背后的核物理学知识本身却不涉及道德品质问题。基普对核物理学的兴趣不具有伤害性，但是那些通过安全审查的朋友们对他所提出的技术问题根本不屑一顾。基普关注的是恒星演化进程中的核反应，而对制造炸弹不感兴趣。但是，惠勒认为，两者所需要的物理学知识没有任何不同。
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惠勒深受世人的爱戴，作为一名导师，他也受到了基普的爱戴。惠勒的吸引力在于他的卓越才华以及慷慨无私的学术指导，而不是他的政治立场，因此政治分歧早被基普抛到脑后了。我们从惠勒（与他人合着）的自传中摘引一段文字，来看看惠勒身上到底有什么魔力。“现在，我已步入耄耋之年，但是我没有停止探索的步伐。我知道，对科学的追求不同于对真知的追求，前者比后者的要求更高。它的驱动力来自一种创造性渴望——描绘一幅世界远景规划图，让这个世界变得更加美丽、和谐。”
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对于基普及他那个时代的人而言，稀奇古怪的抽象数学已经变成了可以征服的实实在在的天体物理学问题。黑洞死气沉沉、一团漆黑，但令人意想不到的是，它们还可以扰动周围的时空，成为广袤宇宙中最耀眼的灯塔。尽管在20世纪六十七年代，关于黑洞存在的所有证据依然极具争议，但基普却发现这是一个天赐良机：他可以深入研究这些激动人心的黑洞，了解它们吞噬恒星、产生引力波的理论细节。这些实实在在的研究内容还催生了思想实验。基普想，会不会存在某种高级文明，它们只受物理规则的限制，而不受他提出的虫洞、时间旅行等理论的限制呢？期刊的数学证明通常会涉及人类的文化生活，变成一种可以通过计算加以验证的科学幻想。基普对相对论天体物理学的贡献具有奠基性意义。用他的话来说，20世纪六七十年代是天体物理学的黄金时代。1970年，30岁的基普成为加州理工学院的全职教授，因为翔实缜密、富有独创性的理论成果而享有盛誉，受到广泛尊重。
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他的导师以及那个时代的人都受到了召唤，去完成重要的使命。最终，在一场波及全世界的战争落下帷幕时，有的人死了，有的人则存活下来。科学上的博弈尽管更加抽象，但从表面上看前景同样光明。冥冥之中似乎有某个声音，呼唤基普把他的毕生精力投入到比职业发展更有价值的事业之中。这个声音告诉他，他有可能成为一名倡导者、劝诫者、捍卫者（或者一名非宗教意味的“传道者”），引导人们用一种新的方法与宇宙进行交流；他有可能为地球找到一种新的自然资源，供人们使用，给人们鼓舞，从而做出超越任何人（包括他自己）的贡献。天文学家利用手中的望远镜接收来自天空的不同波段的光，而基普则另辟蹊径，通过探测引力波发出的声音，对宇宙进行深入研究。就像托马斯·品钦在他那部经常被引用的著作中所说的，基普发现引力奏响的乐曲为他研究宇宙奥秘打开了一扇大门。
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在我看来，与其说基普谨小慎微，不如说他细致缜密。在计算时，他总是从容不迫、不慌不忙，有时速度甚至慢到令人难以想象的程度。但是，一丝不苟并不意味着犹豫不决。在研究中，基普经常会做出大胆自信的推测。基普也许想过，引力波可能是他所有研究中最令人激动的一个项目；他也许还想过，引力波稍纵即逝，关于它的研究肯定会极具争议性。引力波抽象难懂，有很多含煳不清的方面。如果观察的角度发生变化，引力波就会在时空相对性的作用下消逝得无影无踪。引力波是真实存在的东西，还是人们在时空测绘中操作不当所造成的错觉呢？
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爱因斯坦本人也不确定引力波是否存在。1916年，爱因斯坦先是认为引力波不存在，之后他又认为引力波存在。1936年，他再次宣称引力波是存在的。不过在这两个时间节点之间，他的观点几度摇摆。在一次关于引力波的报告中，爱因斯坦说道：“如果你问我引力波到底存不存在，我只能说我也不知道。但是，这是一个非常有意思的问题。”
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