如果聆听宇宙，我们将会听到些什么？如果有余音缭绕在我们头顶的天空，又将会怎样？玛西亚·芭楚莎将在《爱因斯坦尚未完成的交响乐》这部新书中向我们介绍引力波。芭楚莎用生动活泼的笔触，把繁杂的物理概念通过抒情诗一样的语言向我们娓娓道来。她向我们讲述了引力波是怎样以光速在宇宙中穿行的，讲述了这种波会告诉我们关于宇宙中最剧烈事件的一些什么样的信息。此外，芭楚莎还回忆了爱因斯坦最伟大的成就(广义相对论)的迷人故事，之后又探究了在爱因斯坦首次提出引力波之后的几十年里，物理学家们对这一概念的认识是如何演化的。

如果聆听宇宙，我们将会听到些什么？如果有余音缭绕在我们头顶的天空，又将会怎样？玛西亚·芭楚莎将在《爱因斯坦尚未完成的交响乐》这部新书中向我们介绍引力波。

通过《爱因斯坦尚未完成的交响乐》，我们将了解到新一代天文台正在全球兴建，它们将赋予科学家们一种全新的感觉去探索和体验我们的宇宙。这些新奇的天文台不是用来搜集光波或无线电波的，科学家们的目的是通过它们，可以把自己的双手放在时空之网上，与宇宙的韵律连接起来，从而给通过望远镜描绘出的盛大宇宙图景配上声音。

芭楚莎用生动活泼的笔触，把繁杂的物理概念通过抒情诗一样的语言向我们娓娓道来。她向我们讲述了引力波是怎样以光速在宇宙中穿行的，讲述了这种波会告诉我们关于宇宙中最剧烈事件的一些什么样的信息。她把这些事件都比喻成了音乐。于是，超新星爆发，我们会听到铙钹的撞击声；中子星高速旋转，我们会听到周期性的鼓点声；两颗黑洞结合，我们会听到拉长了的唧唧声；甚至还能偷听到大爆炸留下来的回响。这些声音构成了爱因斯坦未完成的交响乐，我们等了将近一个世纪还没有领略到它的恢宏。

芭楚莎回忆了爱因斯坦最伟大的成就——广义相对论——的迷人故事，之后又探究了在爱因斯坦首次提出引力波之后的几十年里，物理学家们对这一概念的认识是如何演化的。作者在本书中精心描写了这次科学革命中的每一位关键科学家。并据此从个人的角度向我们介绍了当今的实验和全新的天文台，比如美国的LIGO。作者把这些科学家们的故事与人们对新科技的热切期望编织在一起，就成了这部诱人的科学故事。

致谢

前言

第1章 降G调空间

第2章 大师登场

第3章 恒星的华尔兹

第4章 双人舞

第5章 共振棒探测器及探测

第6章 不和谐的音符

第7章 一小节轻音乐

第8章 主旋律的变奏

第9章 宇宙的乐章 

第10章 最终章 

第11章 尾声

参考文献

索引

译后记

这则故事几经流传，都蒙上几分传奇色彩了——爱因斯坦在一些自传式记录中曾回忆到少年时的奇思妙想：与光同步而行的话，将会看到什么样的情景呢？会不会看到冻结成冰状的电磁能呢？他曾回忆16岁时的想法：“看来不会出现这样的事。”这些想法就像一粒种子一样，在爱因斯坦的思维中生根发芽，最终把牛顿的绝对时空观念挤了出去。相对论并不是从对牛顿力学缺陷的思考中产生的，而是从电磁力和光学方面的考虑中得来的。

有史以来的大部分时间里，人们一直认为光是一种能够即时传播的东西。从某种意义上说，它总是“无处不在”。在这个前提下，一颗距离我们很远的恒星发出的光，一经产生就立刻传到我们的眼睛里了。然而，到了17世纪，开始有人怀疑光的传播速度是不是一个有限值——就像声音一样——只不过这个值要远大于声速而已。伽利略是直接验证这个假设的第一人。他与两名助手一起进行了这个实验。第一个人站在一座小山上，罩住一盏灯，给1000米远外另一座小山上的伙伴打信号。第二个人一看到闪光就发回一个灯光信号。伽利略不断增加实验小山之间的距离，希望能检测到的两道闪光之间一个不断增长的延迟，进而测定光速。当然，由于实验精度太低，伽利略没有检测到什么延迟。毕竟，人类的反应太慢了。我们的太阳系跨度很大，倒可以提供一个好得多的实验台。

在17世纪70年代——即牛顿生活的年代——丹麦数学家兼天文学家奥尔·罗默仔细研究了木星的四颗最大卫星的运行，特别是最里面的一颗——伊奥。而且，他还仔细记录了每次伊奥运行到木星后面而产生食的时间。通过这些记录，他注意到两次接连发生的食(大约每42小时发生一次)之间的时间间隔并不是一样的，而是随地球与木星间距离的变化而有规律地变化着的。当地球绕太阳运转到逐渐远离木星的阶段时，伊奥之食出现得越来越晚。这是因为给人类眼睛带来食的信息的光线，要走过一个更远的路程。当地球运行到距木星最远的那一点时，罗默记下的时间延迟已经达到22分钟了(更精确的数字为16.5分钟)。其实以前已经有人注意到这个现象了，但只有罗默聪明地认识到，延迟时间正是从伊奥反射回来的光线走过额外路段所需要的时间，而这个额外路段就等于地球绕日轨道的直径。用地球绕日轨道直径(3亿千米)除以延迟时间，罗默就给出了一个不太精确的光速值：22.5万千米每秒。这个值确实很大，但罗默总算证实了光速是一个有限值。而现在我们已知的光速值为30万千米每秒。

到了19世纪，物理学家们对光的本质已经有了一个很深入的理解。就在这个世纪，科学家们证实了光具有波的特性。而且在这个世纪初期，物理学家们就已经认识到光必须通过一定的介质来传播了。

那些著名的物理学家，没有谁认可光线在不存在输运介质的情况下，就可以从一物体传至另一物体这个观点。声波通过空气传播，水波通过水传播；如果有波存在，就一定有物质在振动。充满整个宇宙的这种传播媒介被称作“光以太”。这种神圣的以太是由古希腊人提出的，它遍布整个宇宙。想象中的以太有着十分奇特的性质：一方面要具有足够的硬度，这样光才能以极高的速度在其中穿行；另一方面还要允许地球、行星和恒星等天体毫无阻碍地运行于其中。这个矛盾困惑了理论物理学家们整整1个世纪，科技文献里也满是试图揭示以太何以同时具有坚硬性和非物质性的论文。弥漫于整个宇宙中的以太还提供了一个静止的参考系。可以说，以太就像一片汪洋大海。每当一串波动经过时，海水就作上下运动。这串波只传递能量，却并不能将海水向前推动半步。当时人们认为以太就是这样的。以太就是牛顿的绝对静止参考系的实物形态。

与此同时，对电和磁的本质的探索也在进行。人们最先意识到这两种自然现象之间的联系是1820年的事。起因是一位丹麦物理学家汉斯·克利斯汀·奥斯特发现了电流可以使罗盘针发生偏转的现象；也就是说，一根通电导线有着磁铁一样的功能。切断电流后，磁力消失。等后来英国人迈克尔·法拉第注意到了相反的效应，即运动的磁体可以产生电流时，才最终完善了两者之间的联系。法拉第出生于一个贫苦家庭，没受过正规的数学教育，是一位自学成才的科学家。或许，他的数学缺陷反而成了他的长处。这样，他就能凭借高度的直觉，想象出这样一幅画面：磁体被力场包围着，看不见的力线影响着场中物体的运动。当你把铁屑撒在磁铁周围，铁屑的自动排列图案就形象地说明了这种场。同样，法拉第觉得电场也是用这种玩魔术般的手来操纵电荷的。

当时有很多人，无论是专职科学家还是业余科学家，都被法拉第的实验给吸引住了。苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就是其中一位。相貌英俊但体质欠佳的麦克斯韦，24岁就当上了自然哲学教授。10年后，他完成了著名的《电磁通论》一书，这是19世纪物理学的一大成就。在这部书中，他运用数学语言来说明了法拉第的力场。其中最根本的4个偏微分方程十分简洁优美，有些物理专业的学生甚至把它们印在T恤衫上，来告诉世人电和磁这两种看似毫不相关的力，其实不过是同一枚硬币的两个面而已，不能单独存在。正是麦克斯韦，把两者统一成了电磁力。P15-18

科学，特别是自然科学，最重要的目标之一，就是追寻科学本身的原动力，或曰追寻其第一推动。同时，科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。

科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。

的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人类活动来，其最基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难地进步。这表明，自然科学活动中包含着人类的最进步因素。

正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。

科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。

正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第一推动”。

近百年来，无数仁人智士意识到，强国富民再造中国离不开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的斗争，中国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想，科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋庸置疑的。

正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可少的推动。

然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位也更高了。但是，毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原动力，科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。

科学的精神之一，是它自身就是自身的“第一推动”。也就是说；科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属于服务于儒学的，科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学的。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越文化的地域的差别，科学是普适的、独立的，它自身就是自身的主宰。

湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为《第一推动》，当然并非说其中每一册都是第一推动，但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的主宰。

《第一推动》丛书编委会

2006年春，我有幸应湖南科学技术出版社之约，开始了本书的翻译工作。本书内容丰富，涉及范围很广，所以翻译时要查阅很多资料。这一方面固然增加了翻译的难度，但另一方面也使我受益匪浅。相信这本书也能带给您一份别具风味的科普大餐。

这是一本关于引力波探测的书，作者玛西亚·芭楚莎是美国知名科普作家，是获得颇负声望的美国物理学会“科学写作奖”的第一位女性。作者首先从古老的时空观出发，简单扼要地向我们介绍了天文学及物理学的发展史，特别是时空观的发展史，之后又着重介绍了引力波探测的发展历程。时空观的发展，一直贯穿着物理学的发展史。在中国，古人在对时空的思考中产生了天圆地方、阴阳互生等概念；在西方，哲学诞生于古希腊人对时空的思考，之后天文学又从哲学中分化出来，之后经典物理学又诞生于天文学。16世纪，哥白尼通过《天体运行论》一书告诉了世人地球并不是宇宙的中心。到了17世纪，牛顿提出了万有引力定律及运动学三大定律，标志着经典物理学从天文学中分化了出来，人类的时空观也因牛顿及前人的努力而发生了重大改变，人们逐渐相信了地球并不是宇宙的中心，而是和其他天体一样运行于静止的空间中；时间则不紧不慢地流逝着。到了20世纪，爱因斯坦的相对论给时空观带来了又一次革命，它告诉人们时间和空间并不是相互独立的，两者构成了时空这个实体；空间不再是静止的，时间也不再是不变量了，唯一不变的是两者的结合体——时空。

物理学发展至今天，告诉了我们自然界存在着4种力：引力、电磁力、强作用力和弱作用力。各种力的作用都是通过交换特定介质实现的，比如电磁力是通过交换光子／电磁波实现的，而传播引力的介质就是引力子／引力波。爱因斯坦提出广义相对论的同时，也预言了这种波的存在。就像加速运动的电荷会辐射出电磁波一样，有质量的物体被加速时也会辐射出引力波。但引力波与电磁波有着本质的区别。电磁波是在时空中传播的一种波动，而引力波则是时空自身的波动。不过，由于其他天体发出的引力波传至地球时已十分微弱，导致时空波动的幅度很小，起初科学家们对探测这种波并不热心。直到1959年，美国马里兰大学的韦伯教授宣布探测到了引力波，这才掀起了探测引力波的热潮。时至今日，全球各地已经建起了很多各式各样的引力波探测设备，而且还有很多新式设备正在兴建或即将建造，其中最著名的就是美国的LIG0项目。本书对这一项目着墨颇多。那么，大家为什么热衷于探测引力波呢？

综观天文学的发展史，我们可以看到，观测手段的每一次重大革命都会带给人们很多惊喜，都会大大拓展人们的观测范围。望远镜出现之前，人们只能靠肉眼来观察天象，观测范围十分有限。望远镜出现后，新的天象纷至沓来，人们不但看清了月球的外貌、行星的卫星等，甚至还把目光投向了遥远的河外星系。射电望远镜的出现又一次大大拓宽了人类的视野，帮助人们发现了宇宙背景辐射、脉冲星、黑洞等天文现象。我们有理由相信，引力波这种全新的探测手段出现的话，一定会带给人类很多全新的天文现象，对人类理解宇宙的起源、时空的特性等都将具有重大意义，甚至还有可能带来另一场时空革命。所以全世界不少宇宙学家、天文学家才将毕生精力献给这项事业，本书作者才耗时多年，经多方采访、广泛搜集资料，记录下了这项事业的发展历程。

本书虽然着重讲述了引力波探测事业的发展历程，但在哲学、物理学、天文学、数学等方面都有所涉及，文笔优美，繁简得当，且不乏幽默诙谐之处，将严肃而难以理解的科学知识以细腻而通俗易懂的语言向我们娓娓道来，这也是本书吸引我的地方。作为译者，我本着严谨求真的态度翻译了本书；作为读者，我郑重地向大家推荐本书。

无论是翻译还是写作，都是我期望己久的梦想。感谢湖南科学技术出版社给了我这次实践的机会。在翻译的过程中，我的导师张新宇研究员给予了莫大的支持，大学同窗好友刘万霖给予了很多帮助，我的弟弟李红坤帮忙校了一遍稿子，提出了不少建议，还有很多朋友都伸出了援助之手，在此向他们表示诚挚的谢意。译稿完成后，我发现每次校对都能找到一些漏洞，因此我相信书中仍有不少疏漏之处，还请读者不吝赐教。

李红杰

2007年8月28日