爱因斯坦和罗森的波光潋滟宇宙

作者: @松鼠会Sheldon

来源: 果壳

发布日期: 2014-03-18

本文讲述了爱因斯坦和罗森在1936年发现的爱因斯坦方程组的一类新的解,描述了一个膨胀的圆柱状宇宙,并讨论了其中存在的引力波的真实性问题。经过与霍华德·罗伯特逊的讨论和理查德·费曼的“粘性水珠”之说,最终确认了引力波的真实性。

哈佛大学天文学家于北京时间今日凌晨宣布观测到原初引力波,实现专业领域重大突破。引力波是在宇宙中蔓延的微小的原始波动,天文学家们数十年来一直致力于对这一现象的搜寻,因为这构成了两大重要理论——广义相对论和暴涨理论——缺失的关键环节。

爱因斯坦和罗森的波光潋滟宇宙……空间的一小部分实际上可以类比于一个大体看来平坦的表面上的突起,也就是说,通常的几何规律在这里失效了。这种弯曲或扭曲的性质以波的形式从空间的一部分传播到另一个部分,绵延不绝。

1932年,爱因斯坦离开了欧洲,去了新泽西州新建成的普林斯顿高等研究院。路上他在牛津大学做了短暂的停留,并在基督教堂学院做了个研究报告。远离了危机重重的中欧,他重新开始考虑求解他的方程组。1935年,他得到了一个年轻的研究助理纳森·罗森(Nathan Rosen,1909~1995)的帮助,帮他进行数学计算。在随后的两年里,罗森和爱因斯坦合作撰写了许多理论物理学领域中的著名论文。

1936年,爱因斯坦和罗森发现了爱因斯坦方程组的一类新的解。它描述了一个膨胀的圆柱状宇宙,因此所有的事情在随时间变化的同时,也沿着空间中的某一个方向变化。这种形状简化了纷繁复杂的爱因斯坦方程组,使人们得以找到一个精确解。这种宇宙有一个令人惊诧的新特点,这是以前从爱因斯坦方程组找到的其他宇宙模型中从来没有过的。这种宇宙的空间中传播着一种波,所到之处的空间几何纷纷掀起涟漪。

对爱因斯坦和他同时期的人来说,这种宇宙的最有趣之处是存在“引力波”。爱因斯坦–罗森宇宙不包含物质,因此任何波动都会掀起空间几何的涟漪,随时间传播开去。这种引力波的想法曾经风行了一段时间,也引起了一些争议。有些人相信这只不过是在“纸上谈波”,它们并不对应空间中任何真实存在的起伏,只不过是爱因斯坦方程组在特殊的坐标系下产生的结果。有些人则认为这是真实存在的波,如果一束波朝你袭来,它会对你产生影响。

很快,爱因斯坦和罗森就意识到,这个解是一个绝佳的理论检验对象,要想平息这场争论并不需要借助任何不确定的近似,也不需要数值计算。值得注意的是,他们首先得到的结论是,这种柱状波并非“真实存在”,它只不过是他们选择的坐标系的人造产物。

1936年夏初,他们向美国的顶级物理学期刊《物理评论》寄出了自己的论文。文中声称,他们的新宇宙学模型中的引力波并非真实存在。6月1号,他们的文章被签收了,之后就像其他的投稿一样,被编辑寄给了另一个科学家进行评估。7月23号,论文的审稿意见回来了,并寄给了爱因斯坦,按照惯例其中没有透露审稿人的姓名。

他们刚投了稿,纳森·罗森就已经前往苏联的基辅大学工作了,于是他是在报纸上读到爱因斯坦发表了新论文这个有新闻价值的事件时,才听说了后面发生的事。罗森并没有被爱因斯坦和罗伯特逊的观点说服,不相信引力波的真实性,随后就独自发表了一篇文章,仍然坚持以前那个错误结论。

费曼的“粘性水珠”之说化解了所有对引力波真实性的质疑。引力波就像潮汐力。如果一束引力波垂直穿过这一页书,就会沿着一个方向拉伸它,而沿着垂直的方向挤压它:正方形会变成长方形,而圆形会变成椭圆形。

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