你造吗？爱因斯坦差点收回引力波理论

近日，科学家发现引力波直接证据的消息公布。在美国国家科学基金会召开的发布会上，LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月发现了一个引力波信号。这个信号源自两个巨大的黑洞，他们经历了漫长的绕转，融合，通过引力波辐射能量，越转越近，最终并合形成更大的黑洞。经过10亿年的漫长旅行，这次并合产生的一小部分引力波信号抵达了地球。LIGO在15年9月14日探测到了，最终将它命名为GW150914。至此阿尔伯特.爱因斯坦的狂野理论获得证实，进一步证明了爱因斯坦的天才。

但身为天才并不能保证这位科学家不犯错。爱因斯坦死于1955年，他一生中最重大的某些失误是在他拒绝相信隐含于他自己理论的结论时发生的。和大多数物理学家一样，他有时把这些错误写入论文发表出来。通过这些错误，我们可以看出爱因斯坦的思想经历了怎样的发展过程，关于宇宙的科学观念随之发生了怎样的变化。爱因斯坦的错误也为前沿发现带来了挑战。多年以来，爱因斯坦大胆地重新了定义空间和时间的人，低估自己的发现并在事后批评自己的次数多得有点惊人。今天，宇宙学中三个蓬勃发展的领域均建立在他曾误判的想法之上。比如：引力透镜作用、引力波和宇宙的加速膨胀。那么，今天就来盘点一下天才爱因斯坦曾犯过的“错误”！

1. 量子纠缠

量子纠缠现象的发现是爱因斯坦为了说明量子力学理论的不完备性时举出的一个例子，文章发表在Physical Review上，说明如果量子力学理论成立，则可能存在这样一个所谓纠缠状态，即一个粒子态波函数的塌缩会导致与之处在纠缠态的另一个粒子态波函数塌缩，这种物理现象显示遥远分离的物件能互相影响，爱因斯坦称之为“幽灵的超距作用"，爱因斯坦认为这是超距作用，和相对论理论矛盾，所以量子力学的描述是不完备的，这又叫做EPR佯谬。他不认同这种可能性，拒绝相信物件不管相离多远都能互相影响。

爱因斯坦认为幽灵的超距作用不可能被证实，但事实上它被证实了，他觉得那是有点非物理学的。但事实上，它是对的。

2. 引力透镜作用

1936年12月，爱因斯坦在《科学》杂志上发表了一篇文章《恒星通过引力场偏折光线的类透镜行为》，细述了他称之为“光在引力场的偏移显示星体起到类似透镜的作用”，即是空间中的物体会使光偏移的概念。

“当然，”他马上不客气地写道，“想直接观察这一现象是没希望的。”但其他天文学家指出说：“爱因斯坦他只考虑了星体的透镜作用，却没有考虑到星系。他要做天文学家不够格。”在引力透镜的问题上，爱因斯坦的关键错误是轻视了自己的一个最重要的成果 ：光会在引力场中弯曲。

这篇文章以一种现代学术论文中不可能找到的方式开头：“不久以前，捷克工程师曼德尔拜访了我，让我把在他请求下进行的一点计算的结果发表出来。这篇短文实现了他的愿望。”这个“一点计算”探讨了引力导致光线极端偏折的可能性。对于爱因斯坦来说，很容易就可以证明，如果天体质量足够大，且来自这个天体后方的光线与它的距离足够近，那么这些光就可以被引力强烈地扭曲，从而可以汇聚到一起，产生远方天体放大或者多重的像。这种效应与光线通过透镜时的弯折类似，故得名引力透镜。引力透镜已经发展成为了现代宇宙学中最重要的观测工具之一，因为它提供了一种得到宇宙中质量分布的方法，甚至对不可见的物质也能奏效。

然而，爱因斯坦没有意识到引力透镜效应的强度和重要性。相反，他在1936年的文章中得出结论，光线经过临近恒星时形成的多重像之间的间隔太小，实际上是分辨不出来的。这就可以解释为什么他文章的引言会如此自谦。严格地说，爱因斯坦的结论是对的，但是他显然没有意识到恒星不是唯一能导致光线弯曲的天体。
　
3. 宇宙论常数

在完成创世巨著《广义相对论》后不久，爱因斯坦发现由该理论所导出的宇宙观竟然与当时物理学家（包括他自己）所接受的不同；为把自己的广义相对论原理用于宇宙结构中，爱因斯坦把一个代表“宇宙常数”的术语引入他的方程式，因为他相信他需要描述一个会反作用于万有引力的排斥力，以便得出宇宙是静态的。 没想到12年后，天文学家发现当时的宇宙观根本就是错的！ 因为宇宙被发现是在扩张中。

爱因斯坦非常后悔地悄悄将那常数从其笔记本上擦去，谓这是他一生中所犯的”最大错误”！ 可是该常数却阴魂不散，在爱因斯坦去世后四分之一世纪，又重新登上舞台，成了今日探讨宇宙历史的主要工具。

1979 年十二月，美国基本粒子研究者古士突然心血来潮，怀疑他的研究超冷（supercooled）的希格斯场（Higgs field）或许也适用于宇宙论。 进一步探讨的结果，他发现其超冷希格斯场所具有的能量及负压比，正与爱因斯坦强行加入其宇宙论的宇宙论常数一样！ 此常数是爱因斯坦用来平衡重力相吸的人为常数，本来应该没有什么物理意义的！ 但从其在数学式子中所占的位置，拉麦崔（比利时牧师及天文学家）看到了其所代表的物理意义：均匀地分布于空间的一种奇怪能量。 爱因斯坦并未提出此一能量的可能来源，但分析显示它绝不是我们所熟悉之电子、质子或辐射能等。

在牛顿力学里，重力的来源只是质量；爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，能量也是一种质量，因此在广义相对论里，能量也会产生物质相吸的重力效应。 事实上不只如此，广义相对论里还有第三种重力来源：压力！ 更奇怪的是，如果压力为正（类似容器内之气体压力），则可造成相吸的重力效应；如果为负，则可造成相斥的重力效应。 后者的负内压，正是爱因斯坦用来平衡相吸之重力，而达到静态宇宙观的方法！

但不管怎样，“宇宙是静态的”在当时是被普遍接受的。另外，它还是一个数学上的错误，因为宇宙常数并不能产生静态宇宙，它会使得宇宙的扩张越来越快，那正是我们现在所体验到的。
假若爱因斯坦他有勇气坚持自己的想法，在某种意义上，他应该意识到他的原理需要一个扩张中的宇宙，而不是一个静态的宇宙，而他能预测到它。

4. 引力波

引力波的直接证据让爱因斯坦重新在新闻上亮相，因为他在一个世纪前最早提出它的存在。尽管引力波背后有很复杂的数学，但是他的推导思路并不复杂。根据电磁学定律，如果我们来回移动电荷，那么就制造出了振荡扰动。这种振荡将表现为电磁波，例如光。类似地，如果在池塘水面来回移动一块鹅卵石，那么就制造出了水波。爱因斯坦已经证明了物质会令空间弯曲，故运动物质应该可以产生类似的、空间本身的振荡扰动。有趣的是，他在提出这一想法的20年后，曾一度改变念头。

爱因斯坦于1936年写过一篇论文说它们是不存在的，撤回自己的主张，提交给《物理评论》的论文中宣布自己的想法有所改变。他如何犯了这个错误以及之后如何发现自己错误的故事近乎滑稽。后来发现，他在计算上有一个错误，幸亏这错误在他正打算发表论文之前发现了。

而那篇论文被第一家杂志《物理评论》拒绝了，审稿人罗伯逊检查了那篇论文，并发现了那个错误。爱因斯坦很生气自己的论文要受检查，打算拿去另一家不知名的杂志发表，但他也发现了那个错误，重写了论文，于是，它发表时是正确的。

而爱因斯坦最终是怎么得到正确结论的？据他的助手所说，当时的审稿人罗伯逊找到爱因斯坦助手并善意地向他解释了最初那篇论文中的错误和可能的解决方法，其助手把这些都告诉了爱因斯坦。罗伯逊显然从未透露他是审稿人，而爱因斯坦也从未提到最初的审稿意见。结果是，爱因斯坦从未发表他关于引力波是否存在的错误论断，但这多亏了一位特别勤奋的审稿人的干预。

而那个错误，就是爱因斯坦在写出平面引力波（平的、间隔均匀的波，类似于远处落入池塘的石头产生的涟漪）的公式时，在计算过程中碰到了一个奇点——一个物理量变为无限大的地方。这个难以理解的结果让他们推断，这样的波不可能存在。

实际上，爱因斯坦误解了自己理论中的数学。广义相对论告诉我们，自然规律与科学家如何在空间中定义坐标系是无关的；现在我们知道，解相对论方程得到的许多看似奇怪的结果，其实只是使用了错误坐标系而导致的人为产物。例如，在黑洞周围有一个名为事件视界的区域，在此之内物体无法摆脱黑洞的引力。在分析一个黑洞周围的时空几何结构时，很多物理量——包括距离和时间——看起来都在视界上发散，变成了无穷大。

然而，这些无穷大是非物理的。通过光在空间中的运动定义另外一组坐标系，这些无穷大就都消失了。引力波也是如此。没有任何单一坐标系能消除平面引力波的奇异性，但这种奇异性依然是不真实的。使用两个不同的、互相重叠的坐标系，这些奇异性就消失了。

爱因斯坦仍然坚信其论断，他把文章重新投到《富兰克林研究所杂志》。但在文章发表之前，他意识到了问题，并告诉编辑他发现了错误。最终发表的版本，标题变为《关于引力波》，文章提出了用一个不同坐标系得到的广义相对论方程的解。这个坐标系适用于柱引力波而不适用于平面引力波，其中没有奇异性。

所以爱因斯坦当年想撤回的恰好是今年刚刚发现的东西，似乎一切都来得那么有诗意！今天，探测来自黑洞碰撞和恒星爆发，或来自暴胀时期（大爆炸后紧接着的一个极快速膨胀的时期）的引力波有希望打开新的窗口，帮助物理学家更好地探测宇宙。

（看看新闻网记者：常颖）