退休前,我曾任中大“引力物理研究室” 主任多年,主要研究探测“相对论”所预言存在的引力波。
我原本是学金属物理专业的,“文革前”由于教学任务繁重和政治运动不断,从事科学研究的时间很少,只做了一些晶体缺陷位错理论的初步工作。1972年12月,一次偶然的机会我和一位搞实验的老师到北京参加一次学术报告会,听到美国一个科研小组发现一种不排除是“引力波”信号的报告。接着,1973年初,北京科学院物理所来了一个科研小组,邀请我们参加他们的“引力波探测”研究工作,以便作同一经度的符合实验,提高探测结果的可信度。
原来,当初以“四人帮”为首的文痞们,自以为站在哲学的制高点上,一贯正确,声称要把各个领域中的“反动学术权威”批倒批臭。而爱因斯坦是自然科学界公认的学术权威。因此他们组织和动员在京的科技界大张旗鼓批判爱因斯坦,以显示他们的“哲学卓见”。但令他们始料不及的是,在京学术界认识爱因斯坦的理论和学术思想愈多,愈加相信爱因斯坦学术思想的正确和理论的优美,自觉或不自觉地成为爱因斯坦的“粉丝”。一旦听到爱因斯坦广义相对论早年预言的引力波可能被探测到,兴奋莫名,便积极投入这一验证引力波存在的工作中去。
当时中山大学物理系的多位基础课教师和实验课教师正苦于没有好的科研课题,也就一拍即合,成立一个以探测引力波为主的“引力物理研究室”。引力波探测实验室由几位实验课老师负责筹建,我和其他几位基础课教师则负责弄清楚探测引力波的理论依据——《广义相对论》。(引力物理研究室筹建于1974年,得到当时国家教委大力支持,在财政较困难的情况下,投资建设,并定为国家级重点实验室。物理学大师周培源教授十分关怀引力物理研究室的建设,亲笔为引力物理研究室题名,刻凿在实验室大门旁的云石上。80年代中大引力物理研究室曾耀眼一时,接待过不少国内外名人参访。可惜由于种种原因,好景不长,此后科研经费逐年减少,工作人员有退休无补充,致使引力物理研究室日渐凋零,终于在90年代后期关门,连刻有名人周培源题名的云石也不知所终,令人唏嘘。)
我在大学阶段没有学过《广义相对论》,对《狭义相对论》也只是知道一些皮毛。这时,我已进入“不惑”之年,错过了最佳的学习年龄。对学习《广义相对论》那么抽象的理论和使用像“张量分析和黎曼几何”那样陌生而艰深的数学工具,感到困难重重。但我不能也不甘心就此罢休,因此加倍努力,踏踏实实,一丝不苟地认真研读和推导有关数学式子,手脑并用,力求弄懂、弄通有关式子的来龙去脉,并记住它的要领。还经常向数学大师卢文教授请教,并多做练习,以期通过做作业加深对基本理论的认知和理解。
我和几位有同好的基础课教师组织了一个读书小组,以美国1973年新出版的《万有引力(Gravitation)》为蓝本,并参考其它相对论名著,分头准备,每周轮流作中心发言,介绍各章的主要内容和中心思想,然后大家发言讨论,认真学习。此书虽然名为《万有引力》,但其内容实质上是爱因斯坦的相对论,特别是广义相对论,而且可以说是当代相对论的百科全书。全书16开1000多页,内容十分丰富。我们虽不敢说全部读懂了,但也得益匪浅。
为了检验我们是否真正理解相对论的基本概念,首先和崔世治老师合作写了两本科普读物,接受社会的检验。一本是初级的,叫《狭义相对论初步》,另一本是中级读物,叫《相对论与时空》。两本书都获得好评,后者更被定为中国物理学会2005世界物理年的推荐读物。北京大学著名教授赵凯华认为此书“是一本很有特色的、优秀的中级科普读物,对提高某些有一定科学基础的人的科学素质是有一定意义的”。
另外,我还为高年级本科生开设《广义相对论》选修课,通过备课、写讲稿及编教材讲义,进一步深入理解、熟识和钻研广义相对论的方方面面,并接受学生的质疑和反馈意见,教学相长。经过几年的实践,最后还与崔世治教授合作,正式出版了一本教科书《广义相对论基本教程》,供高年级选修课和有关研究生使用。
我与相对论结缘,虽然有遗憾,但也是有幸的。遗憾的是我与它结缘太晚,起步时已失去了智力发展和学习进取的最佳年龄时段,因而遇到的困难较大,往往事倍功半。但我又是幸运的,因为目前科技已经发展到如此高的水平,以致不但过去不能验证的相对论预言能够实现,而且还有许多新发现和新验证。当今蓬勃发展的“天体物理”和“现代宇宙学”,都无不建立在相对论的理论基础上,而且取得了很大的进展和成果。例如,1961年彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,因而获得了1978年诺贝尔物理学奖。1968年贝尔和休伊什发现了脉冲星,休伊什并因此获得了1974年诺贝尔物理学奖,等等。
上世纪30年代,爱因斯坦曾预言存在引力透镜現像,即巨大的天体可以使经过它附近的光线偏转,因而观测者有可能观测到在此巨大天体后面天体所成的像。如果我们把此巨大天体称为“引力透镜”,它后面的天体称为天体物,则爱因斯坦的计算指出,如果天体物与观测者的联线与观测者和引力镜联线间的偏角很小,例如在角毫秒以下,则引力透镜所成的像光强增大。特别是当联线重合时,将观测到一个围绕引力透镜的光环,称为“爱因斯坦环”。又或如果只偏离一点点,则有可能形成称为“爱因斯坦十字星”的四颗星像。然而,在当时所能观测到的宇宙范围内,要满足爱因斯坦条件实际上是不可能的。
上世纪60年代以后,发现了大量光度很强、离地球很远的“类星体”,使人类观测宇宙的范围大为增加,满足爱因斯坦条件的可能性增大。1979年,瓦尔什等人发现了第一个引力透镜成像事例,以后又陆续发现更多的引力透镜所成的星像。特别是上世纪太空哈勃望远镜上天后,能观测到远离10万亿光年以上的天体,人类可观测宇宙中的天体数目大量增加,满足爱因斯坦条件的天体数目就更多。果然,近年美国航空航天局(NASA)公布了不少拍摄到的“爱因斯坦环”和“爱因斯坦十字星”等和许多其他引力透镜所成的星像照片。
至于探测引力波的问题,我们在80年代中所建立的室温共振型天线,已达到当时国际同类型天线的先进水平,但其灵敏度还远远未达到探测预期的引力波要求。为进一步提高天线的灵敏度,必须在超低温的条件下,建立超大规模的迈克尔逊干涉仪型引力波天线,而这是要耗费巨额资金(据说近年美国在华盛顿州和阿利桑拿州建立了两座光臂400公里长的该类型引力波天线,每座耗资几千万美元)的,在当前条件下我们办不到。
正当人工探测引力波遇到困难时,太空中却传来好消息。1974年,霍尔斯和泰勒发现脉冲双星PSR1913+16的自转周期变慢,经过长期的观测,证实这是对广义相对论关于引力波预言的一个最精确的检测,他们因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
2014年3月17日,哈佛大学史密森天体物理学中心宣布一个轰动全球科技界的消息,位于南极洲的BICEP2望远镜,在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振。这一发现意味着可能在宇宙大爆炸的最初一瞬间出现非常强烈的“暴涨”,从而激发强烈的引力波。这原初引力波在宇宙中回荡,虽不被吸收,但随着宇宙膨胀迅速减弱。在目前变得极其微弱、无法直接探测。然而它们会在微波背景辐射中留下印迹,使辐射偏振形成螺旋状的特殊形态。引力波是一种张量波,它的偏振正是B模偏振。宇宙微波背景B模偏振的存在,证明可能存在原初引力波,从而证明宇宙大爆炸之初确实存在一段“暴涨”时期。当然,这个结论还需要旁证。
我与“相对论”结缘虽然起步较晚,但也十分有幸。我亲自体验到相对论的许许多多应用和成就,甚至于当前还看到它现在普及到日常生活中。现在许多智能手机上都安装有的全球(卫星)定位系统GPS,其中的卫星钟和地面钟快慢不一,必须随时用相对论修正才有实用意义(可参看拙作:“全球定位系统GPS的相对论修正”,《物理通报》,2011.8,p.6)。正是:
寻寻觅觅千万遍,
“上穷碧落下黄泉”,
蓦然回首惊发现,
竟然就在你身边!