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欲往从之梁父艰 ——读《捕捉引力波背后的故事》| 周末读书

|作者:李轻舟  (《大学科普》编辑部)


为了庆祝在中国物理学会期刊网连载的“捕捉引力波背后的故事”集结成书,在科学出版社正式出版,我们将赠予读者5本此书。


获得赠书方式:留言点赞前5名的读者可获赠《捕捉引力波背后的故事》一本,截止时间是7月29日早8点,10点会公布获奖者名单。期待您的参与!


所思兮在太山,欲往从之梁父艰,侧身东望涕沾翰。美人赠我金错刀,何以报之英琼瑶。路远莫致倚逍遥,何为怀忧心烦劳。

                   —— 张衡 《四愁诗·其一》


韦斯、索恩、巴里什(从右到左)荣获2017年诺贝尔物理学奖


蒙科学出版社钱俊先生惠赐程鹗博士新作《捕捉引力波背后的故事》,嘱我撰文评介。我与作者素昧平生,今承展卷受教之谊,不揣冒昧,略陈固陋。


班固在《汉书·司马迁传》的赞评中说:“然自刘向、扬雄博极群书,皆称迁有良史之材,服其善序事理,辨而不华,质而不俚,其文直,其事核,不虚美,不隐恶,故谓之实录”。然而,事非经过,难序内中关节条理;身陷其间,难为执正持平之论。“实录”二字看似容易,实则是要求史家开启“上帝视角”,通贯时间,俯瞰众生——如果没把自己修炼成“拉普拉斯妖”,这就是个mission impossible。即便是mission impossible,也拦不住凡人著史的热情,他们索性各挟“傲慢与偏见”自成一统,史笔之下,别立乾坤。


古典的物理学史(包括自然哲学史)叙事者,自不例外,多少应有马赫(Ernst Mach)、劳厄(Max von Laue)、薛定谔(Erwin Schrödinger)那样在历史维度上(也在逻辑维度上)重构知识体系的雄心。随着古典主义(或者说古典审美)的退隐,尤其是两次世界大战(以及随之而来的冷战)以来,“猛虎独行”逐渐让位于“群狼分食”,“大兵团作战”和“军备竞赛”渐成燎原之势,物理学的世界反而日趋原子化,荒江野老屋中二三素心人旨在营造体系的宏大叙事成了明日黄花,或许在彭罗斯(Roger Penrose)那里尚有几分余韵。


以引力波探测进程为主线的《捕捉引力波背后的故事》固然可以归到物理学史名下。但与古典的物理学史叙事截然不同的是,本书的叙事结构属于科学社会学(sociology of science,以科学为研究对象的社会学)——典型的例子是巴里什(Barry Barish)何以问鼎诺奖(有兴趣的读者可以参考美国超导超级对撞机项目的兴废),这在古典的物理学史叙事模式中几乎不可理解——作为“背后的故事”,其侧重既不在引力波探测的物理原理(广义相对论、引力物理、天体物理等),也不在工程实现的技术细节(激光干涉仪、数值相对论等),而是物理学共同体在现实社会(甚至可以说是世俗社会)中的科学活动——颇有太史公之“纪传体”遗风——也就是作者在前言中所谓“并不局限于相关科学知识的普及,而是更注重挖掘科学突破背后的人物、社会背景、政策抉择以及各种不为大众所知的过程和细节”。简而言之,即引力波探测进程中的那些人和那些事。此中有列国争衡,有部门博弈,有人事纷扰,有名利纠缠,有说不尽的“欲往从之梁父艰”,恰如书中引述韦斯(Rainer Weiss)和索恩(Kip Thorne)不约而同的感叹“真正的奇迹不是我们终于找到了引力波,而在于我们当初居然没把这事彻底搞砸”——当今意义上的“科学无坦途”,此之谓也。


德克萨斯州地下废弃的为超级对撞机挖掘的巨型地道


1970年代的索恩在黑板上讲解引力场


值得一提的是,作为一部通俗或普及作品,本书在涉及某些物理原理或技术细节时,难免会用一点儿譬喻性(直观图像)的阐释(在以普及物理知识为主的书中更为常见),而这类譬喻,纵然是来自爱因斯坦(Albert Einstein)本人,离开了必要的数学表达,也不过是不问究竟的“方便法门”,必然会掩盖些许知识细节,易使未经系统学习的受众望文生义,不得要领,有的甚至会干扰某些读者将来的系统学习。这本是数理科学类通俗或普及作品的“原罪”,幸而作者在正文后的注释中为有志成为“探险家”的读者留有大量重要文献,堪为渡人梯航。此外,单就“讲故事”而论,作者行文晓畅,主次分明,百年曲折,循序展开,即使读者无意加入到“人类心智早已开始的最伟大之冒险”(费曼语),亦能作个“观光客”收获良好的阅读体验。


荷兰布尔哈夫科学博物馆(Museum Boerhaave)东墙上纪念广义相对论的图像。上面是恒星光线因为太阳质量而弯曲的示意图,下面是广义相对论场方程(引自《捕捉引力波背后的故事》)


当然,直到今天,许多引力波探测的相关材料还未脱离“新闻”的范畴,大量工作仍处于正在进行时,道阻且长。现在就下历史结论,为时尚早,亦无必要——“风物长宜放眼量”,真正引领“探险家”不畏“梁父之艰”者,不是结论,而是前方闪耀的问题。


附:

末了,谨补缀几处,与方家共参详。


1. 费曼的“粘珠论”(p15):1957年,费曼(Richard Feynman)在北卡大学教堂山分校会议(即GR1)上以sticky bead argument论证引力波具有能量。此处的sticky bead,许多中文文献译为“粘珠”(有的甚至译为“粘性水珠”)。诚然,sticky确有“粘性”之意,但结合该思想实验的物理情境,sticky bead似应理解为“棍上的算盘珠”——费曼在巴西讲学期间(1949~1952)曾同一个推销算盘的日本人比赛速算(事见Surely You're Joking, Mr. Feynman: Adventures of a Curious Character. W. W. Norton & Company, 1985.)。

2. “整个恒星便会在重力压迫下急剧塌缩”(p45,后文亦有多处出现“塌缩”):collapse,天体物理中的规范用词应是“坍缩”。另,在此处相关的中文语境里,“重力”一般指随天体自转(与天体表面相对静止)的物体所受引力之竖直分量(另一分量为垂直指向自转轴的向心力),在文中所述恒星坍缩的情境中,应用“引力”,而非“重力”。

3. “European Organization for Nuclear Research,简称CERN”(p61脚注):CERN源自欧洲核子研究中心前身欧洲核子研究委员会的法文全称Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire。

4. 加文(p67):1957年,加文(Richard Garwin)曾与莱德曼(Leon Lederman)共同完成了一个验证弱相互作用下宇称不守恒(杨振宁和李政道于1956年提出的设想)的实验。

5. “那是1950 年代,劳伦斯正在伯克利发明他的粒子回旋加速器”(p84):劳伦斯(Ernest Lawrence)发明并改进回旋加速器是在20世纪20年代末到30年代初。

6. “不仅引力与电磁力相比本身就显得微弱”(p91):用两个质子来做比较,则库伦力与引力之比的数量级为1036;用两个电子来做比较,则比值的数量级达到1042

7. “地球的周长大约 4 万千米”(p93):应明确为“地球大圆的周长大约4万千米”。

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