葛維東，趙 煦

（金陵科技學院 馬克思主義學院，江蘇 南京 211169）

當代科學前沿已經(jīng)推進到一個看不見的世界之中。在看不見的世界中，無論是人們已經(jīng)爭論了長達幾十年之久的有關(guān)夸克是否會永遠處于禁閉狀態(tài)的問題，還是近年來被發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子的存在方式問題，都總會引發(fā)人們對這些事物的實在性問題的思考，常會令人感到困惑。凡此種種問題大多根源于對看不見的世界進行理論預測和事實判斷時存在著無法跨越的鴻溝。

2016年2月11日，美國國家科學基金會（NSF）會同來自加州理工學院、麻省理工學院，以及“激光干涉引力波天文臺（LIGO）”的科學家在華盛頓宣布：人類首次直接探測到了引力波的存在（即GW150914引力波事件）。這一事件中引力波所攜帶的能量和信息，能夠讓我們回望宇宙大爆炸的最初瞬間，檢驗宇宙大爆炸理論的正確性，同時拓展了當代科學前沿新的研究領(lǐng)域。當然，引力波的發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了人們對于看不見的世界進一步的哲學思考。特別是此次事件的理論預測與事實判斷，為我們研究當代科學在探索看不見的世界中必須面對的實在性問題，開辟了一條富有啟發(fā)意義的研究道路。

一、引力波的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)

引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，它讓誕生百年來歷經(jīng)水星近日點的進動、光線彎曲、引力紅移現(xiàn)象驗證的相對論再次接受檢驗，從而為相對論的正確性提供了有力的支撐。事實上，此次引力波的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)，遠遠地超出了檢驗相對論本身的意義。

1.引力波的發(fā)明

1915年，愛因斯坦發(fā)表了場方程，建立了廣義相對論。1916年，他發(fā)現(xiàn)自己的方程有一組解，和電磁波的性質(zhì)類似，以光速傳播。據(jù)此，愛因斯坦預言存在引力波。

愛因斯坦之所以作出這一預言，是根據(jù)廣義相對論，在宇宙中，當兩個黑洞或恒星等大質(zhì)量的致密星體相互繞著對方快速轉(zhuǎn)動，或者發(fā)生碰撞、合并等極其劇烈的天體運動時，會導致時空高度扭曲或脈動，即時空曲率。在此類運動過程中，大質(zhì)量天體的劇烈運動會擾動著周圍的時空，在事件的周圍形成螺旋的曲率波，并且“在宇宙中以光速前進，且 不會被任何物體所 阻擋”。［1］229因此，引力波的本質(zhì)就是時空曲率的波動，也有人形象地稱之為時空“漣漪”。

目前有關(guān)引力波的認識，主要依據(jù)相對論結(jié)合黑洞的研究進行描述。學界普遍認為，引力波可向我們傳遞以下信息：①引力波來自黑洞視界的鄰近區(qū)域，是由時空結(jié)構(gòu)的彎曲所產(chǎn)生，不會遭受傳播途中物質(zhì)的破壞；②引力波攜帶著有關(guān)黑洞的具體信息，可令我們對于黑洞的認識，從黑洞概念剛提出時的“無毛定理”，發(fā)展到霍金提出的黑洞“三根毛”，大大擴展到引力波信號中負載著的確鑿的黑洞信息；③引力波帶的信息包括黑洞的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度、運動軌道，以及黑洞的具體方位等。

從理論上講，引力波產(chǎn)生的途徑有很多，因為行星、恒星、黑洞和星系團等大質(zhì)量天體在宇宙中的運動，都會在時空中引起波動。也就是說，只要存在大質(zhì)量天體在宇宙中的運動，那么事件周圍的時空都會有所響應，從而產(chǎn)生引力波。不過，大多數(shù)情況下的引力波都很弱，很難在地球上被檢測到。引力波之所以如此微弱，主要因為引力波的強度和水波，以及光波等波動現(xiàn)象，會隨著其傳播距離的增加而逐漸衰減。如果引力波在黑洞鄰近區(qū)域剛產(chǎn)生時，其強度約為1，那么，當它到達地球時，其強度就會減小到1/30黑洞周長除以引力波經(jīng)過的距離。［2］由于事件中的黑洞大多距離地球太過遙遠，即引力波所經(jīng)過的距離值非常大，因此，地球上觀測到的引力波就必然非常微弱。以一個距離地球10億光年，重為10個太陽質(zhì)量的黑洞為例，其產(chǎn)生的引力波為10-14米，約為原子核直徑的10倍。

2.引力波的發(fā)現(xiàn)

廣義相對論的場方程的解顯示，引力波是如此微弱，甚至連愛因斯坦都認為引力波永遠也不可能被檢測到。不過，亞里士多德曾斷言，“一個人可以早一萬年預言一件事，……那在過去一個時候被預言得對的，就必然地將在時間已成熟的時候發(fā)生。”［3］正因為有著同樣的信念，有些實驗物理學家相信，宇宙空間中有某些天體事件可以產(chǎn)生足夠強的引力波，以至于地球上可以觀測得到。最早進行引力波探測實踐的是馬里蘭大學的物理學家韋伯。20世紀60年代，韋伯設計了一種共振棒引力波探測器，并且在1968年，他宣稱探測到了引力波。但是，他的實驗由于全都無法重復而被人們認為是失敗的。從20世紀70年代開始，有越來越多的物理學家投身到引力波的探測實驗中。不過，除了1974年物理學家約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星，間接證明了引力波的存在之外，人們一直未能獲得直接觀測到引力波存在的證據(jù)。

后來，加州理工學院的物理學家瑞納·韋斯等人注意到，當引力波穿過某物體時，它“將在某一方向上拉伸空間，同時在垂直的方向上壓縮空間”。［1］232運用這一原理，韋斯和福瓦德等人設計并制造了激光干涉引力波探測器。該探測器由相互垂直的呈L形的兩條長臂（L1和L2）組成。當一束激光從激光器發(fā)出，在分光鏡上被分為強度相等的兩束，分別沿著探測器的兩臂L1和L2到達兩個端點，然后被末端的鏡面反射回來，當兩束光再次在分光鏡上相遇時，就會產(chǎn)生干涉圖像?！叭绻麅蓷l邊的長度完全一致，兩束激光將時刻保持同步，干涉圖像就不會發(fā)生變化。相反，如果長度發(fā)生了差異，激光將發(fā)生相移，干涉圖像也會有所不同。”［1］231鑒于此，當引力波經(jīng)過探測器時，人們就可以通過干涉圖像的變化，獲得引力波的信號。

不過，引力波的探測對儀器靈敏度的要求非常高，直到20世紀90年代，探測器所需的高靈敏度技術(shù)條件才趨于成熟。1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。LIGO的兩條相互垂直的干涉臂臂長均為4千米。LIGO于1999年初步建成，2002年開始運行。其后，又于2007年和2010年進行了兩次升級改造。2015年9月，升級改造后的LIGO開始試運行。本次宣布觀測到的GW150914引力波事件即為試運行階段的LIGO于2015年9月14日獲取的信號。

在本次事件中，GW150914的引力波頻率在0.2秒的時間里發(fā)生了從30Hz到250Hz的變化，并先后以7毫秒之差在兩個探測器上被觀測到同樣的信號。從探測器觀測到的引力波信號推測，這是一個發(fā)生在距離地球十幾億光年的一個遙遠星系中，兩個約為36個和29個太陽質(zhì)量的黑洞，合并為一個62個太陽質(zhì)量黑洞的奇異事件。

通過對信號的解讀，科學家對GW150914引力波事件進行了具體描述：當兩個黑洞的引力波頻率低值為30Hz，這就意味著黑洞的軌道頻率約為15Hz。進一步推算，兩個黑洞分別為36個和29個太陽質(zhì)量，每個半徑約為一百公里，二者相距約一千公里，每秒繞對方旋轉(zhuǎn)15圈。隨著二者之間距離的臨近，當兩個黑洞快要合并的時候，引力波頻率達到100Hz左右，軌道頻率為50Hz，也就是每秒繞對方旋轉(zhuǎn)50圈。最后，二者合并成一體。合并之后的新黑洞的質(zhì)量約為62個太陽質(zhì)量，半徑約為160公里，仍處于扭曲狀態(tài)，并繼續(xù)震蕩。此時，引力波頻率達到250Hz左右。

二、從理論預測到事實判斷的主要環(huán)節(jié)及其問題

1.從發(fā)明到發(fā)現(xiàn)的主要環(huán)節(jié)

從引力波的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的具體過程，我們可知：在引力波的發(fā)明階段，愛因斯坦及其后繼者們基于廣義相對論，提出了引力波的概念，并對引力波的行為作出了理論預測和詳細的描述。理論預測的內(nèi)容包括：引力波的產(chǎn)生機制、傳播機制，以及引力波可能攜帶的信息。事實上，在理論預測中，“構(gòu)成世界的原料——物質(zhì)、能量、波、現(xiàn)象——是在構(gòu)造世界的過程中和世界一起被構(gòu)造出來的”。［4］7直到目前為止，我們對引力波的認識，基本上仍然來自于廣義相對論對引力波所作出的理論預測，而有關(guān)引力波在人們頭腦中所形成的圖像則大多來自黑洞旋轉(zhuǎn)而導致時空曲率的描述。在理論預測中，存在一個大致的推理鏈：相對論→黑洞存在→引力波存在。

在引力波的發(fā)現(xiàn)階段，科學家們首先根據(jù)引力波理論預測所允許的特征，設計實驗儀器，尋找符合理論預言的可能信號。韋伯的共振棒引力波探測器的設計、LIGO的激光干涉引力波探測器的建造及其兩次升級，都是科學家們在理解相對論對引力波的理論預測的基礎上，所進行的探索性工作。接下來，決定韋伯失敗與LIGO成功的關(guān)鍵在于實驗中對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的獲取。此次GW150914引力波事件中，將引力波的存在確認為事實的理由，就是因為LIGO接收到了符合理論預測的信號。至此，人們相信，引力波已被發(fā)現(xiàn)。

不過，需要指出的是，在實際科研活動中，觀測到引力波的信號，獲取相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并不等同于人們已經(jīng)完成了“引力波存在”的事實判斷。因為，有一個不可忽略的環(huán)節(jié)，就是在經(jīng)驗數(shù)據(jù)的取得與作出事實判斷之間，科學家們必須將理論預測及其對事件所作的描述與實驗觀測所取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行比對。觀測到信號之后，LIGO的研究人員將GW150914引力波事件中的波形、頻率、傳播速度，與相對論對引力波所作的預言進行了比對，在統(tǒng)計誤差所允許的范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)和相對論預言相沖突之處。通常，一個理論“對于它們所適合的世界而言，一個陳述就是真的，一個描述或再現(xiàn)就是正確的?！保?］136因此，在GW150914事件中，直到實驗觀測所得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)與理論預測相符合時，人們方才完成了“引力波存在”的事實判斷。

以上論述表明，在科學事件中，作出事實判斷的依據(jù)有兩個要點：第一，實驗設計范圍必須與預測理論相適應。韋伯所設計的共振棒探測器運用的是共振原理。探測器的主體為一根長2米，直徑為0.5米，重約1噸的鋁棒。當引力波穿過探測器時，會擠壓和拉伸鋁棒，進而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。不過，因為鋁棒的共振頻率是確定的，所以只有當引力波的頻率和鋁棒的設計頻率一致時，探測器才會接收到信號。根據(jù)相對論預測，引力波的頻率與事件中黑洞的質(zhì)量，以及事件與地球之間的距離相關(guān)。這就意味著宇宙中的引力波頻率是不確定的。以一個確定頻率的探測器，去觀測不確定的引力波，純屬守株待兔的做法，其失敗必然是大概率事件。而在GW150914引力波事件中，激光干涉引力波探測器則有效實現(xiàn)了實驗設計范圍與預測理論之間的相互適應。第二，實驗所取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)必須與理論預測所做的描述相符合。本次LIGO的激光干涉引力波探測器所觀測到的最強的引力波應變?yōu)?0-21，經(jīng)過和一個由理論計算產(chǎn)生的波形庫中海量的波形比對，最終確認這一事件是兩個黑洞合并所產(chǎn)生的引力波信號。

在看不見的世界中，事件的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的主要環(huán)節(jié)包括：從理論預測并對事件加以描述，到實驗設計，接收到信號，進而取得經(jīng)驗數(shù)據(jù)。最后，在理論預測與實驗數(shù)據(jù)進行比對的基礎上，完成事實判斷。

2.不可重復的問題

彭加勒認為，“最有趣的事實就是可以多次運用的事實；這些是具有一再復現(xiàn)的機會的事實?！保?］事實上，自近代科學以來，可重復性就成為科學確定性的一個重要指標。一個實驗若不能在其他實驗室中，以相同的條件重復進行，即便不能立刻決定該實驗的生與死，恐怕也難以不在人們的心中留下疑問。2011年的“中微子超光速”事件，就因為該實驗現(xiàn)象不能在相同的條件下被其他實驗室呈現(xiàn)出來，而很快就遭到拋棄。事實上，前文所述及的韋伯探測引力波的失敗，也同屬于此類。

可是在看不見的世界中，面對諸如GW150914引力波這樣的事件時，便出現(xiàn)了一番完全不同于近代科學的情形。一方面，從實驗條件的演化看，從古代自然狀態(tài)下的觀測實驗，到近代以來實驗室中的物質(zhì)實驗，實驗條件的優(yōu)越化令許多自然條件下無法觀測的現(xiàn)象都呈現(xiàn)了出來。同樣，在當今看不見的世界的前沿探索中，觀測條件都大為優(yōu)越化。但必須注意的是，得到優(yōu)越化的僅僅是觀測手段，而對于觀測的對象本身而言，人類卻并沒有任何令觀測對象呈現(xiàn)其條件優(yōu)越化的有效手段，比如，人類不可能通過制造出兩個黑洞合并事件，來研究引力波。另一方面，愛因斯坦的相對論告訴我們，引力波以光速傳播。而光速是一切運動速度的極限，也就是說，人類的運動無法超越光速。當然，這也就意味著，人類無法超越引力波傳播的速度。因此，像GW150914引力波事件這樣的天體現(xiàn)象，對于地球上的人來說，每一個事件都是一次性的，過去了就無法再來一次。

在此類無法復制的事件面前，人類所能夠做的只有等待。等待下一個不同頻率的“引力波”信號的到來。

三、看不見的世界中的科學進步

結(jié)合GW150914引力波事件的實際情況，在看不見的世界的探索和進行事實判斷的過程中，出現(xiàn)了明顯的與傳統(tǒng)科學研究不一致的地方。在傳統(tǒng)的科學研究中，可重復性是實驗科學的主要特征之一，但在當代科學前沿的看不見的世界之中，可重復性變成了一個幾乎不可能的問題。

這一問題主要源于實驗傳統(tǒng)對經(jīng)驗的依賴。在古代科學中，人們大多憑借直接的感官所感知的經(jīng)驗，開展科學研究。而自近代以來，世界各地實驗室的大量興建，科學依賴經(jīng)驗的這一傳統(tǒng)得到強化，牛頓曾聲稱他“從來不發(fā)表不能用觀測或?qū)嶒炞C明的學說”。［6］然而，在面對看不見的世界時，人們對直接經(jīng)驗的依賴，成為當代科學所無法克服的一個難題。

不可否認，在科學活動中，以經(jīng)驗累積為目標的物質(zhì)實驗仍然是科學的主要手段。但物質(zhì)實驗只能為科學研究提供線索或檢驗的證據(jù)，甚至只是積累了一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)而已（特別是不可重復的數(shù)據(jù)）。此次引力波事件就是如此，LIGO的激光干涉引力波探測器所取得的數(shù)據(jù)僅僅是某一時刻的空間波動信號，便決定了兩個黑洞的合并事件。而不容置疑的是，在該引力波事件中，除了時空扭曲所形成的引力波之外，還會有輻射現(xiàn)象、溫度的驟然上升、對事件周圍空間的影響變化，等等，而這些數(shù)據(jù)一概無從得知，最多以引力波信號作為根據(jù)，再進行推算，方可知其一二。在看不見的世界中，人們再也無法如近代科學那樣，令實驗所取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)在科學中起到判決性的作用。不過，這種情形并不妨礙科學的進步，“理論是我們?nèi)龀鋈ププ　笆澜纭钡木W(wǎng)。理論使得世界合理化，說明它，并且支配它?！保?］只要是有助于理論對世界進行說明的事件，都意味著科學在進步。