撰文

　　卢昌海

　　算不上先驱的先驱

　　在广义相对论之前的物理学中，时空仿佛是一个舞台，物理过程像戏剧一样千变万化，舞台却是不变的。广义相对论首次将时空变成了戏剧的一部分，变成了一个动力学概念，时空不再是不变的了。而在物理学上，几乎所有可变的东西都可以有波动式的变化，时空也不例外，从这个意义上讲，引力波在概念层面上的存在几乎是水到渠成，甚至显而易见了。

　　在更具体的层面上，引力波的存在还可以这样来理解，那就是广义相对论既然解决了牛顿万有引力定律与狭义相对论相互冲突的问题，那么引力自然不会再像牛顿万有引力定律所隐含的那样瞬时传播了。而引力既然不再瞬时传播，就意味着引力源的运动对远处的影响只能逐渐传播开去，这“逐渐传播”的典型形式无疑就是波动。这种相互作用的非瞬时传播与波动之间的密切关联物理学家们并不陌生，因为电磁波就是这样一种波动，一种与电磁相互作用的非瞬时传播有着密切关联的波动。

　　不过，引力的非瞬时传播虽然是由广义相对论所确立的，atv，相互作用非瞬时传播的概念却并非始于广义相对论，甚至也并非始于狭义相对论——虽然后者对这一概念取得基础地位具有决定性的影响。事实上，比狭义相对论早得多就有科学家猜测过引力的非瞬时传播，并且作出过跟引力波的存在不无异曲同工之处的猜测。

　　比如著名法国科学家拉普拉斯( Pierre Simon de Laplace ) 早在1776年就考虑过修改牛顿万有引力定律的若干可能性，其中之一就是放弃引力的瞬时传播。假如引力的传播不是瞬时的，会有什么可观测效应呢？拉普拉斯以地球对月球的引力为例作了具体分析[1]。他首先假定引力是通过物体之间交换某种微小粒子所产生的，方向沿那些微小粒子的运动方向[2]。对于地球与月球间的引力而言，如果引力的传播是瞬时的，产生引力的那种微小粒子的发射方向——也就是引力的方向——无疑就是沿两者的连线方向，直播，从而跟牛顿万有引力定律相一致。但假如引力的传播不是瞬时的，那种微小粒子从地球运动到月球就需要花费时间，而在这段时间内，月球本身会沿着公转轨道往前运动一段距离，因此为了使那种微小粒子能与月球相遇，它们的发射方向必须稍稍偏往月球的运动方向一点。很明显，这种发射方向上的偏角意味着地球对月球的引力将不再沿两者的连线方向，而是——相对于月球而言——有一个沿切向往后拖拽的分量（感兴趣的读者可以画一幅示意图论证这一点）。由于这种拖拽效应的存在，月球的轨道将会慢慢“蜕化”，轨道高度将会逐渐降低，月球的最终命运——倘不考虑任何其他因素的话——将会是坠落到地球上。

　　拉普拉斯以引力的非瞬时传播为前提所预言的月球轨道的“蜕化”在定性上跟引力波造成的效应是相同的。不过预言虽然相同，拉普拉斯却并没有提出引力波的概念。按照现代的思路，月球轨道的“蜕化”意味着轨道能量的损失，只要问一句“损失的轨道能量到哪里去了”，引力波的概念就几乎必然会被引出来。可惜的是，今天看来天经地义的推理在拉普拉斯时代却并非如此，原因很简单：能量守恒定律在拉普拉斯时代尚不存在。能量及能量守恒定律的基础地位容易给人一个错觉，以为这两者都是渊源流长的概念。但其实，它们的历史并不悠久，稍具现代意义的能量概念在拉普拉斯时代尚处于形成之中，许多形式的能量尚未被认识，能量守恒的观念也尚未得到确立。因此对拉普拉斯来说，“损失的轨道能量到哪里去了”的问题并不显而易见，更不会引发他往引力波的方向去猜测[3]。也正因为如此，他的猜测只能被称为“跟引力波的存在不无异曲同工之处的猜测”，这种猜测相对于引力波研究来说只在很边缘的意义上具有先驱性[4]。

　　拉普拉斯

　　等到英国物理学家麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 建立了完整的经典电磁理论以及爱因斯坦提出了狭义相对论之后，有关引力波的猜测才真正问世了。这种猜测有两个主要诱因：一个是牛顿万有引力定律与描述静电相互作用的库仑定律(Coulomb's Law)具有表观上的相似性，这种相似性启示人们猜测相对论性的引力理论与完整的经典电磁理论会有一定的相似性，从而会像电磁理论具有电磁波一样具有引力波。另一个诱因则是前面提到过的相互作用的非瞬时传播与波动之间的密切关联，狭义相对论所确立的光速上限对这一诱因无疑是一种加强。在这些诱因的“引诱”下，法国科学家庞加莱(Henri Poincaré)早在1905年6月——比狭义相对论的发表还早——就对引力波的存在做出了明确猜测。这位在爱因斯坦之前就对狭义相对论的很多结果有过预期的著名科学家在一篇题为“电子的动力学”(Sur la dynamique de l'électron) 的论文中不仅提出了引力场会像电磁场那样产生以光速传播的波，而且将这种波明确称为了引力波。稍后，庞加莱还进一步猜测引力波造成的能量损失有可能解释水星近日点进动(perihelion precession of Mercury) 的传统计算与观测值之间的偏差。

　　庞加莱