引力的影子：寻找引力波 | 周末读书

《引力的影子：寻找引力波》

作者：哈里·科林斯

译者：姬扬

中国科学技术大学出版社

编辑肖老师：18130468313

想获得该书的读者可以在后台留言，写下与本书试读内容有关的体会，留言点赞前5名的读者将获赠该书一本（三个月内已获得赠书的读者不参与此次活动）。截止时间是4月29日早8点，10点会公布5位获奖者名单。期待您的参与！

著译者简介

哈里•科林斯（Harry Collins，1943— ），英国卡迪夫大学社会学杰出研究教授，英国社会科学院院士，著名科学社会学专家，发表100多篇学术论文，出版20余部著作。持续关注引力波探测领域50余年，出版了5本相关著作。

姬扬，中国科学院半导体研究所研究员、博士生导师。分别于1992年和1995年在中国科学技术大学获得理学学士和硕士学位，1998年在中国科学院半导体研究所获得理学博士学位。自2002年起，在中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室工作，从事半导体自旋物理学方面的实验研究。在Nature，Science，Physics Review Letters等学术期刊发表SCI论文80余篇，出版多本译著，包括《激光光谱学》《半导体物理学（上、下册）》《磁学：从基础知识到纳米尺度超快动力学》《磁学与磁性材料》《半导体的故事》等。

内容简介

本书讲述引力波探测这个领域的历史，介绍引力波的科学，以引力波作为研究案例，考察科学知识的创造方式。本书内容非常丰富，为非专业人员介绍科学社会学研究的深奥世界，为非科学家介绍物理学的深奥世界。除了导论和附录，主要包括6个部分。导论介绍了本书的主旨，把寻找引力波这件事看作社会时空里传播的涟漪，研究科学和社会的相互作用。第1部分“寻找失去的波浪”讲述了韦伯的发明和他用室温共振棒进行的早期实验，他宣布的引力波发现以及同行们的关注、争论和检验，最后推翻了他的结论。第2部分“两种新技术”介绍了始于20世纪70年代中期的低温共振棒研究，以及大型干涉仪作为新的引力波探测器的想法。第3部分“共振棒的战争”讲述了韦伯的主张如何奇特地复兴而又再次消亡，干涉测量如何超越了共振技术，以及国际合作对数据处理方式的影响。第4部分“干涉仪和干涉人：从小科学到大科学”讲述了从20世纪90年代中期到2004年，引力波探测如何从小科学发展到大科学，以及转变过程中的科学理念变化、管理体制变化以及由此带来的冲突和问题。第5部分“成为新科学”介绍了大型项目如何汇集数据，怎样开展国际合作，以及“设定观测上限”的科学含义及其对引力波探测领域的重要性。第6部分“科学、科学家和社会学”主要讨论本书的方法论，这项科学社会学研究的主要结论和重要意义，特别是对科学政策的影响，此外还包括专门的一章回忆作者与韦伯的交往和因此受到的影响，“尾声”简述了自本书主要部分完成以来的新进展（2004年3—4月）。原著出版已经快20年了，但是讨论的问题现在并不过时，引力波探测这个具体而微的案例说明了从小科学到大科学的转变，对中国当前科学发展政策仍然有启示作用。本书适合大学生以及任何对科学感兴趣的人，能够让读者更多地了解科学运行的实际情况，更深刻地理解科学工作者的处境。

章节试读

导论 两种时空

总的来说，我们不知道是什么导致了这么大一个峰。可以想象，这可能是巨大的天文事件爆发了非常强烈的引力波，但更有可能是设备故障。

01

引力波

引力波探测指的是，通过测量从来没测过的最小的变化 (引力波对安放在地球表面的实验装置的影响)，来看有史以来发生的最大的事情(恒星和黑洞的碰撞、爆炸与振动)。到目前为止，科学家们已经花了大约40年的时间来讨论，是否有任何东西要检测，是否已经检测到了。本章开始的引言记录了这些猜测中的第一个，但它代表了几乎所有的猜测。

1993年诺贝尔物理学奖授予两位天文学家罗素 · 赫尔斯(Russel Hulse)和约瑟夫 · 泰勒(Joseph Taylor)，因为他们间接地证实了引力波的存在 ① 。然而，我们这里关注的是直接检测。大多数科学家的观点是，人们一致认为，当上述的40年变成50年时，一定能直接探测到引力波；换句话说，预期在本世纪的头个十年或其后不久，我们肯定能看到引力波。

根据相对论，我们不断遭遇着引力波，但是对它很不敏感。其他许多看不见的力和实体穿过我们。例如，每小时大约有1000万个中微子(它们产生于太阳的中心)通过我们的身体，没有留下任何痕迹。直到1956年，科学家才成功地探测到这些中微子，但观测它们比引力波容易多了。

要看到引力波，我们必须看它们对物体之间距离的影响。非常粗略地说，我们要测量两个物体之间的距离，并观察这个距离在引力波通过时发生的变化。它不会变化很大。

1991年3月13日，美国众议院议员从托尼 · 泰森(Tony Tyson，全名为 J. Anthony Tyson)博士那里了解到引力波的大小。泰森告诉他们：

想象这样的距离：环游世界1000亿次(总共4000万亿千米，或者是到海王星距离的一百万倍)。两个点相隔这样的距离。然后，强烈的引力波将短暂地改变这个距离，差别比人的头发还细。我们进行这种测量的时间可能不到十分之一秒。我们不知道这个非常小的事件什么时候到来，是下个月、明年还是三十年以后②。

泰森博士希望劝阻国会，不要为一个项目花费大约2亿美元，建立两个巨大的新的引力波探测器(称为“干涉仪”)。科学家们想在华盛顿州建造一个，在路易斯安那州建造另一个。泰森及其同事暂时削弱了对该项目的政治支持，但一年后，该项目获得了资助，现在这些设备正在运行。略小一些的干涉仪也在意大利、德国和日本启动。这些巨大而昂贵的探测器只是这项科学研究进入第五个十年以后的最新进展。

我们已经看到，一些科学家认为，使用更早期的、更简单也更便宜的探测器，已经检测到了引力波。我们的主要问题如下：为什么人们不相信这些早期的说法？现代探测器的发现是否更可信？如果是，为什么？在今后的几年里，我们还无法知道第二个问题的答案。

02

引力波和对引力波的信念

我们要谈两件事：引力波(我称之为“引力的影子”)和对引力波的信念(引力的影子的影子)。让我们从引力波开始。托尼 ·泰森解释，要看到引力波，我们必须在从地球到最近一颗恒星的距离上，看到大致等于头发粗细的变化。但是，由于我们的测量仪器将在地球上使用，必然是建立在地球而不是天文尺度上的，我们不得不在更小的距离上测量变化。我们观测的距离是几米(小设备)到4千米 (最大的设备)。最新的探测器在地球上可能是“巨大的” ，但是与天文尺度相比，地球这种庞然大物也还是太小了。

在恒星距离上测量头发的粗细，在这种巨大的/微小的装置中，意味着观察原子核直径的万分之一乃至更小的变化。很难弄清楚这到底有多小，所以附录A专门讨论了这个问题。

我们正在寻找的大事件，一直都在发生。例如，恒星在不断爆炸或碰撞，但它不能成为新闻，因为大多数恒星离我们很远，我们对它们一无所知。1987年，一颗恒星的爆炸确实成了新闻，但这仅仅是因为地球上看得见——它作为超新星是非常近的，但仍然距离地球16.9万光年。能够让人看见的恒星爆炸是非常罕见的；已知的上一次事件发生在几百年以前。

当这些大事件发生的时候，大质量的物质块就会非常快地移动。太阳大小的物质块开始以接近光速的速度动来动去。在两颗星体相撞之前，它们可能会在生命中的最后时刻以每秒数千转的速度相互旋转；当一颗恒星爆炸时，组成它的大部分物质都发射出来，以任何东西可能达到的最快速度。

相对论告诉我们，在这样的极端情况下，现实的物质失去了它们的常性。当物体接近光速时，质量不再保持不变，并开始增大，而时间似乎慢得像是在爬。物质和能量可以相互转化，曾经的一点点质量可以变成巨大的能量，反之亦然。在接近光速的太阳大小的物质块附近，时空的结构发生了振动。这种时空的振动就是引力波，这种振动在宇宙中传播，就像涟漪在池塘的水面上传播一样。

既然它们是由如此巨大的事件产生的，而且如此巨大的质量转化为巨大的能量喷出，那么，引力波为什么很难探测呢？这是因为太空池塘的表面太坚硬了，所以涟漪是微小的——就像声音在坚实的钢片中通过时产生的“涟漪”，但是要小得多 ③ 。这种振动均匀地向各个方向传播，在空间的巨大距离上变弱，当它们到达我们这里的时候，几乎就感知不到任何东西了。

重复一遍，在太空中，无数个恒星欢蹦乱跳并相互碰撞，它们各自放弃了很大比例的质量，将其转化为能量。很大一部分能量变成了引力波——时空中的微小振动。地球沐浴在这些引力波中，但是它们太微弱了，谁也看不到——除了灵敏度前所未有的仪器，但它们也几乎看不到。虽然这个故事讲的是如何建造这些仪器，但更多的还是如何看到这些波。

03

“看”的时空

很容易理解什么是建造仪器的故事，但什么叫看到东西的故事呢？“看”这种事情怎么会有历史维度呢？

回想有哪些你确信的关于科学的事情。答案是几乎没有。在这方面，我们都是一样的；我们都几乎一无所知。读者可能是任何人，甚至是引力波科学家，我怎么能如此自信地写这本书呢？这是因为，即使你是世界上最好的、最聪明的科学家，你自己确信的东西也不比我们这些对科学最无知的人更多，因为我们所说的“确信”是指我们的了解达到了科学证明的标准：直接和反复的见证。专业领域就像裂缝：又窄又深。即使是最优秀的、最杰出的科学家，也只在自然世界的很小一部分(他们是那方面的专家)，直接见证了真正的证据——而且即使对他们来说，也不太清楚“直接见证”是什么意思，因为“见证”只是一条很长的推理链的结论，这在今天已经越来越明显了。

至于自然世界的其他部分，科学家对事物的了解与我们的方式一样：道听途说。即便你是这本书里描述的科学家(引力波专家)，你关于引力波的大部分知识也是来自道听途说；这听起来很奇怪，但是想想吧！你知道的几乎所有的科学都是来自书本和文章、演讲和报告或其他科学家的谈话和行动。即使是你通过“直接见证”所知道的结果，也只是一个小小的软木塞，漂浮在巨大的信任海洋上——信任早期实验的结果，信任一起工作的同事，信任你的仪表和材料，还要信任分析实验的计算机。

我们通常不认为这些事情是信任，因为一个人只在有理由不信任的时候，才需要以一种自觉的方式“信任”。因此，人们不会说孩子“信任”父母，因为我们从来没有意识到需要信任 ④ 。但是考虑到父母和孩子的相对力量，立即就可以看到，这种关系之所以成立，只是因为孩子认为这是理所当然的。科学也是如此。科学家没有注意到，他们知道的几乎一切都取决于信任和传闻，即社会学家说的“社会化”，因为很少有机会注意到它。通常，只有当信任被摧毁的时候，我们才会意识到信任的结构。当某个科学家作弊时，我们才突然发现，我们一直遨游在信任的海洋里。想一想，欺骗包括科学家在内的所有人，让他们以为已经发现了引力波，这是多么的容易。可以在每个探测器站点动一些手脚；可以在一两台计算机中设置一个小的子程序；可以贿赂或威胁一些同事和编辑。在体育和金融领域，这些事情经常发生。有时候，也发生在科学界。事实上，引力波科学家很晚才发现，只要大型探测器开始“正常工作”，安全就成了问题。2001年，美国项目的计算机安装了新的防火墙，防止黑客捣乱。但是，大多数重要的科学家当然都工作在这些防火墙之内——必须信任他们。

正是因为我们知道的大部分内容都来自可信的道听途说，才会有科学社会学和引力波社会学；这些社会学研究探索我们如何信任某些传闻，而不相信其他的道听途说。本书一大半的内容是关于引力波的道听途说，以及我们是如何相信它的。研究传闻如何让大多数人相信，就是研究这种或那种“社会构建”的意思。

正是因为世界是由道听途说构成的，所以，“看”不仅有历史维度，还有至少两个空间维度。因此，“看”也有自己的时空。

我看到一张桌子、一套杯子和碟子、一棵树以及太阳，我的感官立即理解了它们；我和物体之间没有任何东西。这是简单地看 ⑤ 。在先进的科学里，情况不一样：当科学家看东西的时候，感官和被感知物之间有一条脆弱的由仪器和推论构成的链条。在显微镜下看一滴水，你会看到奇形怪状的东西。是什么告诉你，你通过显微镜看到的是放大的正在运动的生命形态，而不是某种万花筒般的效果呢？这是训导和说服；你信任的老师告诉你，这就是显微镜揭示的东西。总之，这是科学社会化的开始。如果一个人来自科技水平很低的文化背景 ,当他看显微镜的时候，能够看到微小的生命形式吗？

在大多数现代实验中，推理链比显微镜的情况长得多。当代物理学家或天文学家“看”的通常是计算机生成的一串数字。这些数字必须被“看作”某种实体，还必须承认，在我们和远方传感设备之间的仪器链条里，每一个环节都正常工作。这个链条包含了所有发生在微弱信号通过仪器时的转换，从一种形式变换并放大到另一种形式，最终作为一串数字符号吐出来，这些数字符号本身还要经过统计分析进行转换。被感知的物体越模糊，经历的变换就要越大，才能“看到”它。

对于引力波的情况，该信号比以前测量过的任何信号都要微弱，它们的旅程前所未有的漫长和危险；在这个长而又长的推理链中，每个环节都为理解的真实性提供了怀疑或争论的机会。在引力波探测这样的科学中，“看到”就是在某种程度上同意，不再怀疑推理链——看到就是“同意看到”。

科学家之间的争论放大了“看”的时空，使我们更容易理解。就像相对论一样，在极端情况下，看的时空维度模糊了。在可能困扰科学观察的极端情况中，有微弱的信号、高度的新颖性和采用哪种方式去看的竞争性社会压力。即使在日常生活中，当科学争端进入法庭等地方的时候，我们也会遇到这样的情况。

诀窍是理解这种复杂的、有争议的、“极端风暴天气”的“看”与普通的、日常的、即时感知的、平常天气的、杯子和碟子的“看”的关系。大多数人都没有摆正这些关系。他们认为，杯子和碟子、平常天气的“看”是“看”的基本方式，他们惊叹于科学家的聪明，科学家似乎使极端天气的“看”变得如此的安全和确定。例如，科学哲学家可能试图证明，科学的“看”只是普通的“看”的一种非常精细的形式，无可争辩的检验或稳健的数学和统计分析保护着推理链中的每一步。换句话说，他们的努力旨在表明，虽然在科学的“看”里，推理链很长，但每一个微小的步骤要么是即时的理解，要么是无可争辩的正论。但是，极端天气的“看”是正常的，而平常天气、杯子和碟子的“看”是特殊的情况。平常天气的“看”不会受到怀疑和不确定的困扰，因为我们没有注意到，即使在普通的“看”里，也有推理的链条：当我认为我看到杯子和碟子时，也许我正在经历一种幻觉；当我看到天上的太阳时，也许它是一个梦；当我没有看到一棵树时，也许是因为我患有偏头痛，使得一部分视野消失了；也许我处于虚拟现实的环境中；也许我正在看一 种舞台魔术——“用烟雾和镜子完成的”。在普通的“看”里，几乎从没有提出过这种怀疑 ⑥ 。但正如平静的牛顿世界在爱因斯坦的动荡宇宙中是一个局部和有界的区域，平常天气的“看”是极端天气的“看”的一个局部和有界的特例。要知道宇宙是如何运作的，必须关注时空中动荡的区域，而要发现“看”是如何运作的，也是如此。

现在，探测引力波是在极端天气中“看”的一个典范，因为第一 ，引力波实在是太微弱了，第二，它诞生于有争议的科学领域；在这里，“看的时空”的隐藏维度是可见的。它有时间维度，因为一些科学家说，在过去的30年里他们一直都看到引力波，尽管其他大多数人不同意；确定每个人都满意地清晰看到的真正时刻，还有待时日。大多数在这个领域工作的科学家认为，当更强大的新仪器出现时，答案就会产生。如果它们是正确的，那么观测引力波将需要大约半个世纪的时间——在物理学中，这么长的观测时间并不是非同寻常 ⑦ 。

“看到引力波”的两个空间维度表现在“社会空间”中的争议：人们对所看到的东西以及确定的程度有分歧。在社会空间的一个方面，科学家们对是否看到引力波持有不同的意见，态度不一。不同的科学家群体拥有各自的探测器，可以支持他们各自不同的观点，他们在科学群体里的位置(他们自己在社会空间中的位置)有时与地理空间中的位置重合。在第22章，我们将看到一群意大利物理学家和一群美国物理学家对待“看”的差别。

社会空间的第二个维度是传闻的链条。所有这些极端天气的“看” (观测)都始于最优秀的科学家——专家，那些最接近推理证据链开端的少数人。只有当这些少数的专家同意他们的工具中的科学推理链应该是什么意思之后，传闻才开始传播。如果想把传闻作为一个维度来衡量，我们就需要“社会距离”的单位：观测者到链条起始端 (理论和实验的地点)的距离。我们可以用图0.1(我称之为“目标图”)表示社会空间的这个维度。

图 0.1 “目标图”显示了科学界的圈子到核心的远近

目标的中心是那些创建和操作实验的科学家(这些实验旨在检测一些微弱的现象)，以及计算应该看到的东西的理论工作者(计算出设备应该如何操作和应该“看到”什么)。这是科学的核心。

当有科学争议时，这个科学的中心领域被称为核心集合(the core set)。这个术语反映了如下的事实：参与这种争议的科学家之间的关系可能是紧张的——他们可能永远不会见面；因此，将他们称为一个“群体”意味着他们的关系比现实情况更紧密。我用核心科学家(core scientists)这个词指代所有那些在科学中心做出真正贡献的人，无论他们是否卷入争议。核心群体(core group)这个词留给更团结的科学家群体，他们共同推动一个项目，并不因科学分歧而分裂。第19章将重新讨论这些术语。

图的第二个圈子里是科学界的成员，他们在不同的领域工作，因此只有通过他们读到或听到的东西，才知道发生了什么。我们可以把这个圈子进一步划分为那些相同学科的研究者，例如，物理学或天文学的研究者，而不是生物学的研究者。但是在开始时，没必要让问题复杂化。第三个圈子由决策者、政治家和资助者组成，他们通过行政事务与科学接触，但是自己并不做任何科学研究；他们对中心发生的事情的了解也是二手甚至三手的知识，但这些知识过滤的方式可能不同于第二个圈子。(这个圈子和其他圈子之间的划分还是过于简化了，但是提供了大致的图像。)在这些圈子之外，是大众和那些为大众服务的人——记者和广播员，他们过滤、普及乃至构建让大众了解的科学。当我讲述引力波知识的发展和引力波检测科学中的组织转换的故事的时候，这个目标图将反复出现。

这里我说的是知识。认识论(即知识的理论)是对知识的基础(理由)的哲学研究。但我描述的更是知识在时间和空间中的位置。这种更具描述性的工作，也许可以更贴切地称为“认识地图论”，指的是地图绘制 ⑧ 。图上的每个空间都是社会空间的一个区域，通过绘制径向辐条可以划分成段。可以认为这些段代表上述社会空间的第一个层面——目标图的同一个“环”内的群体之间的差异，这些群体位于相同的或不同的地理位置。内环也许包含一些人，他们相信引力波已经被看到，另外一些人相信还没有看到。第二个环划分为受中心区不同影响的部分，等等。这就是社会空间的两个维度：第一个维度将目标划分为段，就像橘子瓣一样；第二个维度将其划分为同心圆环。我的任务是描述这些区段，以及新闻、确定性和“看”围绕目标的方式——从中心到外围，也许还会回来。

让我们从描述“看”的第二个社会空间维度的一个奇怪特征开始：外环的人似乎不会因为他们使用的是二手信息而感到处境不利；绝对没有。例如，我看到过月球的背面。我确信，月球的背面没有建筑物，到处是灰尘，坑坑洼洼，就像我们从地球上看到的正面一样。但我还没有真正看到月球的背面；我看过一些据说有代表性的照片和电视图片。这里没有什么特别的问题，因为从月球背面到我的推理链比较短，除了那些认为月球探索的整个故事是NASA在亚利桑那州沙漠里伪造的人以外，对此没有太多的争议；这不是一个很有争议的观察案例。因此，我看到月球背面的感觉与我看到杯子和碟子的感觉并没有太大的不同——但这个比较是有用的，因为对于月球的情况,推理链较为明显；它确实包括火箭、照相机、无线电传输等。

对于月球背面的情况，我们不会因“看”的二手性质而感到很不利，这是相当惊人的，但正如人们可能预料的那样，关于第二个空间维度的真正奇怪的事情，当“看”变得困难的时候，就会显露出来。在争议很大的地方，远离社会空间的人们往往比那些真正通过仪器观察的人更确定所看到的东西。“看”的社会学有一大部分关注的是，那些远离观测工具的人如何了解所看到的东西， 以及他们形成其强硬观点的方式 ⑨ 。

解释这种奇怪现象的一个要素是，通常来说，当你远离科学核心群体时，信息变得更简单，更 直截了当。核心群体中的人意识到每一个论点和每一个疑问的细节，而离得远的人，他们形成的观点来自经过消化的信息源。在事物的本质上，消化过的信息源必须简化。传输媒介的“带宽”太窄，无法囊括核心活动的全部内容。假设其他条件相同，那么，“知识波”(至少是弱的知识波)表现得与引力波相反。引力波随着传播而减弱；知识波却变得更强 ⑩ 。

因为微弱的知识波在传播时会变得更强，所以我们大多数人很难记得，它们在源头是多么的 微弱。在现代科学中，通常只有极少数的科学家“仔细看”仪器并处理出现的数字串。“看”的研究是关于这种间接性、这种微弱性以及所有这些分歧如何转化为一种广泛的确定性，它允许我们说：“我们看到了月球的背面”，总有一天会让我们充满信心地说 :“引力波已经直接探测到了。”

如果以上述方式表示“看”的两个空间维度，作为一个具有同心圆环的分段“目标” ，可以 想象时间维度从页面中出来，将目标图变成扩展的圆柱体，我们称之为“时间圆柱体”。可以想象一系列截面穿过时间圆柱体 ,每个截面代表科学发展的一个阶段。在这些部分中的每一节上所刻的图案都有些不同；沿着时间圆柱体向上移动时，我们会看到团结、信念和确定性的模式发生了变化。

再总结一下，这就是我们的画面：恒星会产生大量的能量，振动时空。但是，时空太僵硬了， 引力的涟漪非常微弱，而且随着它们的扩散，还会进一步减弱。据我们所知，地球是唯一居住着生命的行星，沐浴在引力波中。一群人团结起来，建造可以探测这些微弱得几乎难以形容的引力涟漪的灵敏仪器。想象引力波从恒星传播过来，撞击地球表面、引力波探测器所在的微小区域。在这些仪器内部(假设它们有反应)就会展开一系列的事件和过程，增强引力波的影响。这种效应通过物理和电子学手段转化为一串数字，然后由计算机使用统计技术进行分析。它最终达到一种可以被人类感知的形式和规模，再报告给附近的其他人。然后，第二组涟漪开始在社会空间中扩散——以人类互动为媒介的空间。涟漪随着它们的扩散而增强，但就像任何波浪运动一样，它们有相互作用的峰和谷；一些人确信引力的涟漪已经被看到，而另外一些人确信并没有。也许最终，所有的人都同意，引力波已经探测到了。

换句话说，在谈论实验时，从影响到结论有很长的推理链，这个推理链的长度 (尽管它总是存在的)在寻找微弱效应的现代科学中特别明显。很少提到的是，这个推理链超出了单个科学家“用显微镜看”的范围，并延伸到社会时空，直到我们达成社会共识。由于某种原因，也许是因为 它们本身就是其中的一部分,相比于初始的链条,推理链的最后一段更不容易觉察。

《引力的影子：寻找引力波》涉及两组涟漪：通过物理时空传播并到达探测器的涟漪，以及 通过社会时空从探测器向外传播的涟漪。美国的大型项目激光干涉引力波天文台(LIGO)用一 组涟漪作为标志。本书的标志是两组涟漪，如图0.2所示。第一组是浅色的涟漪，代表一些宇宙灾难(空心圆环)发出的引力波，并穿越时空。这些波击中探测器 (黑色的盘)，然后它们的影响通过社会时空传播，由一组深色的涟漪表示。

图 0.2 标志：时空和社会时空中的涟漪

04

相对主义

这里有一件怪事：我描述了一个因果序列，从“欢蹦乱跳”的恒星开始，到人们达成共识结束。然而，我们知道的关于恒星的一切，仅仅是因为社会时空的涟漪。如果社会时空中没有涟漪，我们的宇宙中就不会有“欢蹦乱跳”的恒星(没有现代科学知识的宇宙里没有“欢蹦乱跳”的恒星，我们的宇宙里也没有神或女巫 )。因此，人们可以认为因果顺序是相反的，不是从星星到人类的理解，而是从人类对星星的共识(就像我们大多数人认为的神、女巫和最新时尚的影响)。你刚刚读到的关于引力波及其影响的一切，正如本章开头预期的那样，都基于信任、传闻和社会化。我所说的牛顿和爱因斯坦、质量和能量，本身就是社会共识的产物，现在位于那个叫作现代物理学的社会位置的平静天气里。

就我们的标志而言，我们对空心圆或它发射的波一无所知，直到这些波击中地球表面的探测器(实心的黑色圆盘)——这是没有争议的。但是，同样地，我们对实心黑盘一无所知，直到第二组涟漪在另一个探测器(科学界)产生了影响。如果我们在这个标志上叠加一个因果关系箭头，它通常会从左上到右下运行。但是，如果接受我们刚才的论证，它也可以采取另一种方式，从右下到左上。第一个方向是现实主义者的方式；第二个方向是相对主义者(或“社会建构主义者”)的方式。幸运的是，就像物理宇宙的规律保持不变一样，无论我们从宇宙大爆炸到现在，还是从现在到宇宙大塌缩，看到的规律都是一样的，无论箭头运行的方式是什么。区别是形而上学的，或者用一些原教旨主义的说法——是准神学的。

我将在最后简短地讨论这一点，但就本书的大部分内容而言，这几乎就是关于现实主义与相对主义作为哲学主题的全部讨论。然而，相对主义将一次又一次地表现为一种方法论原则。对深色涟漪的完全理解，可能很容易受到偏见的影响，因为似乎有太多的因果决定起作用，它们的模式来自左上方。因此，分析的核心是一种方法论相对主义。这种方法论把因果箭头看作从右下到左上，并没有对它真正的运行方式提出任何要求，这是我对科学进行社会分析时使用的方法(尽管不是在我简单地接受既定共识的地方)。方法论相对主义只不过是科学的处方，通过保持其他一切不变来调查某个原因。在这种情况下，当科学有争议时，我们保持科学不变(将其视为非因果贡献的变量)，并集中于社会变量 ⑪ 。这并不是说，不需要解释科学的论证。即使最坚定的现实主义者，应该也不会反对《引力的影子：寻找引力波》，除非他们认为，讲述科学的故事，可以不讨论(不大量讨论)社会。

对于那些完全确信世界必须永远用现实主义的、从左到右的方向来描述的人来说，关于自然和社会的另一个方面也许值得指出。让我用现实主义者的身份谈论第一次看到引力波。为了论证起见，假设第一次观测是由于超新星的爆发，几毫秒的时间。因此，在半个世纪的引力波探测历史中，大自然只在那一刻说话。在半个世纪里，大自然说话的时间只有大约 0.00000000013%，而人们思考、建造、计算、假设、解释、花钱、写作、组织、领导和说服的时间，将占 99.99999999987%。请注意，几乎没有人真正“看到”持续数毫秒的事件。所以 ，无论你是现实主义者还是相对主义者，社会学家都有很多事情要做 ⑫ 。在本书中，我会时不时地指出，即使坚持哲学现实主义，社会学家也要做很多事情 ⑬ 。

对现实主义和相对主义的另一种思考方式是，问问究竟是什么。科学只能支持一个真理吗？还是有多个真理？只需片刻的思考就可以明白，一门科学可以在相当长的时间内支持一个以上的真理；科学争论可以很容易地持续50年左右，在这段时间里，两种或两种以上的世界观得到了立场不同的科学家群体的支持 ⑭ 。坚定的现实主义者会说，只有一种观点在科学上是真正可行的，只要限制在一种观点存在、其他观点消亡的情况，就很难证明另一种观点(哲学不可知论可以反驳这个观点，因为只有一种观点长期存在并不一定比它的政治或文化稳健性更能证明这个观点，就像风格不同的艺术一样)。20世纪60年代开始的“理性辩论”讨论了这些问题。如果有多种理性，就可以有多个科学 ⑮ 。但是，无须解决理性争论的问题，几十年来，另类科学观点确实同时存在的事实，也为社会学家提供了广阔的研究领域。本书的中间部分将描述社会机构关于非共识观点的一些处理方式，说明我们这个历史时代里相互竞争的现实的社会意义。由此可以揭示我们在这个最困难的科学里的“存在方式”。

05

这个项目和这本书

我描述了这个项目的创意，这本书是项目的一部分。这个社会学项目将不会完成，直到有了广泛的共识，引力波已经直接看到，涟漪已经到达他们在社会时空里的最终目标：引力波被认为是理所当然的现实，确信无疑的常识。只有到那时，我们才能对比看不到引力波的情况和成功的情况。本书设置了比较的场景。我描述了社会时空的几个涟漪中喷出的微沫，这可能表示引力波的第一次直接探测，但没能达到确定无疑的程度。第1部分和第3部分详细描述了这些故事。

第2部分简要地描述了低温棒探测器和干涉仪两种新技术的发展。第3部分描述了这两种技术不稳定共存的时期，以及干涉测量法如何战胜共振棒技术。这说明两种文化可以并存，但是如果有一种文化足够强大，共存就不会持续很长时间。

第4部分描述了干涉测量的发展，集中在美国项目从小科学到大科学的过渡，与变化有关的压力、应变和戏剧性场面。第5部分提出了两个一般主题，即汇集来自相互竞争的国际团体的数据的过程，以及对一种现象的通量设定上限而不是进行正面探测的奇怪过程。这让我们看到了干涉测量的现状，它最近发表了第一个上限声明。

第6部分得出结论，最重要的是第42章，发展了一个新的主题，专家和非专家的关系，正如这个研究本身揭示的那样。讨论了科学家和大众的关系。

06

其他主题

请注意：《引力的影子：寻找引力波》中有很多历史；有些人可能会想，为什么有些部分写得这么长。事实上，我已经给出了第1部分的标题“寻找失去的波浪” ，尴尬地承认它确实有些长了。但是，就像普鲁斯特(Proust)一样，我要尝试重新捕捉已经消失的东西，这比重新捕捉仍然存在的东西更困难。

尽管包含了许多历史背景，但本书并不打算遵循历史学家的选择标准或专业偏好。材料的选择原则是：第一 ，社会学兴趣；第二，只是朴素的兴趣；第三，对历史的责任感。从引力波探测历史中提取出来的大多数情节都是以超出历史的考虑来描述的。它们包括：确立真相和谬误；一种技术战胜另一种技术；没有完全正当的理由但仍然进行选择的必要性；如果科学要向前发展，就要修剪不断变化的科学和技术的可能性分支；从小科学到大科学的发展；相互冲突的科学风格和文化；两种世界观的紧张关系，一种认为世界是精确的、可计算的、可规划的，只是等着我们做出正确的总结，另一种认为世界是黑暗的、无定形的，通过猜测我们有时候能够理解其中的一部分——如果我们有足够的技巧抛掷理解之网。

07

关于第1部分的科学分析

关于乔·韦伯探测引力波的工作，我发表过一些作品。对此有些了解的人，对本书第1部分的主要论点会觉得熟悉。这个部分有12章，而以前我的相关描述不过两三篇学术论文，显然这不仅仅是重复已发表的工作。我们熟悉的是分析，但这里包括了工作的细节和顺序，涉及的人，以及论证的更多细节。然而，本书的这个部分没有新的分析思想，只有更多的数据，更多的理论，以及一个新的比喻。

读者如果熟悉这些争论的实质，可以跳过这个部分，但是会错过以下内容：在第2章中，我描述了乔尔·辛斯基(Joel Sinsky)的校准实验，这是我以前没有提到过的。如果仔细考虑一下，我应当在别的地方讨论这项工作。第3章不是韦伯故事的一部分，但包含了一些引力波的科学，在书的后面部分将需要它。第5章提供了一个新的比喻(一个被正统的大坝拦截的水库)，用来理解非正统科学生存或者消亡的方式；这也将在本书的后面提到。第12章包含一些新的文献材料。当然，整个部分包含了更多的历史细节。

注：

①赫尔斯和泰勒观察到，一对双星的轨道多年以来非常缓慢地缩小，表明它符合爱因斯坦理论所说的引力波发射。有关这件事的引人入胜的、内容丰富的描述，请参阅Bartusiak(2000)。

②泰森博士于1991年3月13日在美国众议院“科学、空间和技术委员会”的“科学小组委员会”的证词(第4页)。这是在华盛顿特区的一个学术图书馆查阅的结果。

③正如Blair和McNamara(1997)解释的那样。

④对信任在科学中的作用的扩展分析，见Shapin(1994)。这已经成为标准的参照；如果说它还有缺陷，那就是没有清楚地理顺信任其他人的主动和被动的方式。

⑤我把“简单地看”这个词当作常识。我们知道，看并不简单，我将在下面讨论。

⑥哈罗德·加芬克尔 (Harold Garfinkel)的“破坏实验”表明(Harold Garfinkel， 1967)，当通常被认为理所当然的现实受到质疑时，人们会有多么的愤怒。

⑦见The Golem series (Collins, Pinch, 1993/1998)讨论的一些案例。

⑧“认识地图论”这个词是科学史学家彼得·蒂尔 (Peter Dear)为此目的而发明的 (Peter Dear，2002)。

⑨彼得·索尔森 (Peter Saulson)向我指出，爱因斯坦抱怨说，每个人都相信实验，除了实验工作者本人(但是没有人相信理论，除了理论工作者本人)。

⑩这是一般规则，最初被表述为“距离产生美” ，即distance lends enchantment(Collins, 1985/1992)，这是有例外的。麦肯齐(MacKenzie)认为(MacKenzie, 1998)，科学管理者也面临着科学的不确定性，因此在目标中可能会有另一种高度的不确定性。这一点的反面是科学知识的社会学和历史中非常重要的一个原则：核心的活动仍然是私人的。它使人们能够确定一种“实验操纵” (具有私人属性)、一种公开宣布的“结果”和一种“示范”之间的区别，这种“示范”是对既定结果的展示，也许可以使用技术来增强效果——在实验中却可能被视为作弊(事例见Gooding(1985)；Shapin，Chaffer(1987)和 Collins(1988))。显然，科学知识的历史学家和社会学家侵犯了实验室的隐私，并威胁到这些区别。霍尔顿 (Holton)关于密立根油滴实验的著名研究 (Holton，1978)和其他许多关于著名实验的历史和社会学分析，都说明了这个问题。这本书可能会引起不适，因为它暴露了科学家们通常的私人想法和对话，他们中的一些人是我的朋友，还不适应与公众打交道。我很抱歉，我的工作有时候仿佛践踏了友谊。

⑪进一步的讨论，见本书第42章和第43章以及 Labinger, Collins(2001)的一些章节。

⑫这个想法源于彼得·拉德金 (Peter Ladkin)的一个评论。

⑬我赞同现实主义是科学家和社会学家的工作态度。因此，我以“社会现实主义”的态度写本书，也就是说，我把社会看作是真实的。(用涂尔干 (Durkheim)的话说，我“把社会事实当作真实”。)困难在于，为了把科学的社会事实当作真实，我需要用不同的方式对待自然事实。我相信每个人都应该能够不时地走出自己的世界，以便理解还有其他方法可以谈论我们认为理所当然的世界。

⑭例如，见The Golem 第2章 (Collins, Pinch, 1993/1998)。

⑮关于理性辩论见Wilson(1970)，Winch(1958)和Wittgenstein(1953)。关于社会学含义，见 Bloor(1973), Collins(1985/1992)和 Kuhn(1962)。

目录

中文版序

前言

引力波研究中常见的缩略语

导论 两种时空

第1部分 寻找失去的波浪

第1章 新科学的开始

第2章 从想法到实验

第3章 什么是引力波?

第4章 最初发表的结果

第5章 怀疑的水库

第7章 组织论坛开始拒绝韦伯的发现

第8章 韦伯的反击

第9章 达成共识

第10章 试图打破困境：实验的校准

第11章 被遗忘的波浪

第12章 波是如何传播的?

第2部分 两种新技术

第13章 低温技术的开始

第14章 NAUTILUS

第15章 NAUTILUS, 从1996年11月到1998年6月

第16章 共振球

第17章 干涉测量的开始

第18章 加州理工登场了

第3部发 共振棒的战争

第19章 室温棒苟延残喘

第20章 科学机构和苟延残喘

第21章 室温棒和政策的困境

第22章 科学文化

第23章 共振技术与美国国家科学基金会的评议

第24章 涟漪和会议

第25章 另外三次会议和一场葬礼

第26章 共振质量项目失败了

第27章 对LIGO的资助及其后果

第4部分 干涉仪和干涉人：从小科学到大科学

第28章 技术：大干涉仪里有什么？

第29章 施工：站点

第30章 人事：从小科学到大科学

第31章 协调科学的开始

第32章 德雷弗事件

第33章 臭鼬工厂的结束

第34章 第三种制度：协调人

第35章 机制和魔法

第36章 40 米干涉仪小组与新管理层的斗争(续)

第37章 第四种(第五种)制度：合作

第5部分 成为新科学

第38章 汇集数据：前景和问题

第39章 干涉仪团队的国际合作

第40章 什么时候是科学？上限的含义

第6部分 科学、科学家和社会学

第41章 正常运行：研究和科学

第42章 方法论作为两种文化的会合：研究、科学家和公众

第43章 最后的反思：这项研究和社会学

第44章 乔·韦伯：个人的回忆和方法的注释

第45章 尾声

附录

附录A 关于什么是小

附录B 引力波、引力辐射和重力波：关于术语的注释

附录C 罗杰·巴布森的文章——《重力：我们的头号敌人》

附录D 殖民地的边缘

附录E 方法

附录F 照片

参考文献

后记

译后记

购书信息

《物理》50年精选文章