正文節選自第24期《少年時·觀測宇宙和推測宇宙》一書。未經小多少年時（ID：xiaoduoui）授權不得轉載。

“我們‘聽見’了宇宙的聲音。我們將不僅‘看見’宇宙（通過電磁波），我們還將‘傾聽’它。”——物理學家加布裡埃拉 • 岡薩雷斯（Gabriela Gonzále z）

愛因斯坦錯了？他親口說曾犯了一個錯誤。

阿爾伯特 • 愛因斯坦是有史以來最偉大的物理學家之一。因為他的預測無法用20 世紀初有限的工具進行測試，這讓他產生困擾。儘管存在疑問，但是，你還是看看 1974 年發生了什麼吧。

1974 年，科學家發現了兩個相互繞對方運動的高密度大質量恆星，它們被稱為脈衝雙星。它們的質量極大，愛因斯坦的廣義相對論預測它們在相互靠近時，會發出具有能量的波，也就是引力波。

經過 8 年的精確測量，人們已經探測到它們以愛因斯坦廣義相對論計算出的精確變化率在相互靠近。

因此，如果愛因斯坦的計算可以準確地解釋變化率，那麼它也能說明脈衝雙星通過引力波甩掉的能量損失。這是一個合乎邏輯的結論。

可它沒有得到真正的證明！

我們先從牛頓的思想開始談起吧，因為愛因斯坦也是從這裡開始的。牛頓是第一個思考為什麼物體總是落向地面的人。

通過一個落地的蘋果，牛頓開始思考一定有什麼東西作用在這些物體上。當物體相互靠近時，彼此之間存在引力。

牛頓把這種引力想成一個所有有質量（質量是物體含有的物質的量）的物體的共同特性。一個物體的質量越大，它具有的引力就越大。最後，兩個物體之間的引力差異決定彼此間的運動。

牛頓的萬有引力理論幫助人們解釋了很多事情，包括行星和恆星的運動。任何人都可以看到萬有引力思想的實用性。

但是，引力讓牛頓和那些試圖理解它的人很困惑。引力是一種力嗎？當物體相互靠近的時候，它們是如何發生作用的？

愛因斯坦清楚牛頓的驚人發現。同樣，愛因斯坦想知道：為什麼引力會是這樣？

愛因斯坦在想象力方面非常有天賦，他具有對抽象和現實事物進行思考的能力。他開始這樣思考一個問題——為什麼物體總是落在地上？他經過觀察、思考，然後產生很多直覺，再結合演繹邏輯，最後，就如他自己所說的：“初始的假說變得越來越抽象，離經驗越來越遠。另一方面它更接近一切科學的偉大目標……在理論能導出那些與經驗吻合的結論之前，需要加以精心推敲。在這裡，觀察到的事實無疑是最高的裁決者。”

這聽起來很奇怪，但是，這樣的結果使他能把抽象的想法和現實中發生的事情聯繫起來。顯然，廣義相對論就是這麼得出的。

接著，愛因斯坦開始思考牛頓的萬有引力。他注意到的第一件事就是牛頓的力學定律不能解釋所有的運動，其實牛頓自己也知道他的定律是有侷限性的。

牛頓的定律適於現實中特定的情況，比如所有物體都以相同的速度和方向持續地做直線運動。顯然，問題的關鍵在於打破限制，所以愛因斯坦對它進行了深入研究。

經過一系列的關於相對性原理、光速不變的理論突破，愛因斯坦開始專注於他的廣義相對論。該理論集中在突破牛頓思想的限制。要做到這一點，需要滿足兩個條件：

1. 他的理論必須能夠解釋任何物體的任何運動；

2. 他的理論還必須是針對引力的。

愛因斯坦描述了他是怎麼用想象力來發現“密匙”的。他想象桌子上放著一塊磁鐵和一根鐵棒，鐵棒離磁鐵有一定距離。他認為，因為它們沒有接觸，所以磁鐵不能直接影響鐵棒。

但是，要是讓鐵棒向磁鐵靠近，在某一點處，磁鐵就開始吸引鐵棒，雖然它們之間還有一段距離。所以磁鐵一定投射出某種看不見的東西，而且這個看不見的東西直接作用在鐵棒上。

愛因斯坦運用了科學家常用的工具——類比法。即如果科學家甲用 X 解釋了他的發現，而你的問題和甲的發現看起來有點像，那麼也許你也能用 X 來解決你的問題。

牛頓和愛因斯坦都看不到引力，看到的是不同物體彼此接近的行為。愛因斯坦明白，牛頓力學定律的限制來自牛頓認為引力是點對點的力。他同時認識到，他應該以不同的方式對引力的作用進行思考，他將這個看不到的引力與電磁學聯繫起來。科學家認為磁鐵和鐵棒之間那個看不見的力是力場。

因此，通過類比無形的力場，愛因斯坦把引力看成了引力場。（有趣的是，愛因斯坦人生中的第一篇論文就是關於磁場的。）

現在，愛因斯坦腦子裡有了搭建廣義相對論的“磚瓦”。

最後，愛因斯坦領悟到引力可以定義為時空的彎曲，於是他和數學家朋友一起，建立了廣義相對論的數學模型。

幸運的愛因斯坦

身為態度嚴謹的物理學家，愛因斯坦並不滿足於簡單地將思想理論化，他希望他的廣義相對論得到驗證。他發表了對廣義相對論的想法，並邀請其他科學家幫助他檢驗理論的正確性。他選擇水星的軌道作為廣義相對論的研究對象。

在太陽系的八大行星中，水星是距離太陽最近的一顆行星。早在愛因斯坦頭髮花白之前（那時他還沒有弄清楚廣義相對論呢），就有天文學家觀察到在太陽系的行星中水星的軌道是最獨特的。

其實大家都知道行星在近日點是會進動的，也知道原因所在（如受其他行星的引力影響），但水星進動的問題在於，其進動速率與牛頓的理論不符。

相差的數值雖然微小，對天文學家來說卻是不容忽視的。

愛因斯坦的廣義相對論能對它做出解釋嗎？愛因斯坦知道，水星軌道之謎對他的廣義相對論是一個艱鉅的考驗。利用廣義相對論，愛因斯坦完整並準確地解釋了水星的異常擺動。

這時的愛因斯坦，大腦裡充滿天才的靈光。愛因斯坦再次用到了類比法，他把引力比作光波，認為引力以光的速度遠離作用點。他的計算還表明，波的能量在物體相互靠近時變強，在相互遠離時變弱。

他的計算表明，少量引力能會在物體間的相互作用中“逃掉”，這種能量在愛因斯坦的方程中表現為衰變或者能量損失。

相互作用的物體的質量越大，引力能的損失就越大。

到了 1936 年，也就是他預言引力波的 20 年後，他進行了更細緻的計算。然而，結果表明引力波是不存在的。

愛因斯坦錯了嗎？等等，這個故事還沒完呢。他投到美國期刊《物理評論》（Physical Review）的關於引力波不存在的論文被退回來了，審稿人認為文章存在錯誤。

但是愛因斯坦對文章被退回感到氣憤，他沒有研究審稿意見，而是把文章原封不動地改投到另一個刊物上。

幸運的是，外出訪問回來的同事羅伯森（H·P·Robertson）告訴了愛因斯坦文章的錯誤所在，並幫助解決了問題。

而羅伯森正是《物理評論》的審稿人。另一個說法是，愛因斯坦自己也發現了那個錯誤，並重寫了論文。總之，無論是哪一種說法，引力波存在的這個說法都是正確的。

2015 年 9 月 14 日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）檢測到了引力波。在 14 億光年之外，一個 36 太陽質量的黑洞和一個 29 太陽質量的黑洞併合為 62 太陽質量的黑洞，損失的 3 個太陽質量的能量以引力波的形式釋放了出來。這束引力波傳播了 14 億年到達地球，被位於地球兩個不同位置的引力波探測設備同時接收到了。

這個天文事件被命名為 GW150914，這是人類歷史上第一次直接探測到引力波，完美地證明了愛因斯坦理論的正確性。

現在，你已經聽完整個故事，那麼是什麼讓他懷疑自己的工作呢？他為什麼認為自己犯了錯呢？

這其實很簡單。愛因斯坦認為，預測的引力波在宇宙中應該以非常少的能量運動，但在 20 世紀初期到中期，沒有工具能探測到如此微小的能量信號。

真的嗎？這倒是個挺有意思的故事，就好像在觀看一個天才工作。我很想看看那些方程式。

科學家這麼比喻：引力波是愛因斯坦廣義相對論的驗證實驗中最後一塊缺失的“拼圖”，前面的三塊是：水星進動軌道推算、光的紅移、天體的引力透鏡效應。