诺奖得主基普索恩:15年内有望解开宇宙诞生的秘密

2018-01-08 13:19:00 网易科技报道 分享
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文|张潇潇

  新晋诺贝尔物理学奖得主,76岁的基普?索恩很像老年版的《生活大爆炸》中的谢耳朵。这不仅是因为他们都是理论物理学家,也都在加州理工学院任教,基普对科幻的热爱,言谈中的冷幽默,和老顽童的好奇心态也与谢耳朵如出一辙。他留着时髦的胡子,中间是白色的,边缘是黄色的。“我老了才开始留胡子的,因为觉得自己的下巴不够好看。”12月19日,基普·索恩和同时获得诺奖的雷纳?韦斯一起,在未来论坛上进行了长达两小时的演讲。演讲开一开场,基普就一本正经地先解释了胡子造型的原因,引得满堂大笑。

  当天,索恩本来答应了北师大的张帆教授,在论坛上给他看看诺贝尔奖章长啥样,但临走的时候忘带了,“奖章此刻静静地躺在酒店的保险柜里,”他说,“不过也没什么好看的,特别小一块儿。”

  在获得诺奖之前,索恩最为人所熟知的身份是科普演讲学术明星,科幻小说家,和诺兰电影《星际穿越》的科学顾问。他的学生陈雁北曾说,索恩有把复杂深奥的东西,深入浅出地讲清楚的能力。而这个能力让索恩在科学家之外,有了“网红”体质。他的科普演讲和科普书籍,让全世界无数年轻人开始对黑洞、引力波、相对论、时间旅行以及虫洞等话题着迷。2009年,从加州理工学院退休后,他不仅参与了科幻电影《星际穿越》的编剧和拍摄,亲自用粉笔写出了电影中黑板上复杂的公式,而且还出了一本关于《星际穿越》的书,详细解释《星际穿越》中的科学原理。论坛上他还透露,还将参与一部好莱坞科幻电影,但他表示,他不是拍电影上了瘾,而是为了激发更多年轻人投身科学探索。

  索恩的老顽童个性还体现在他与另一位科学狂人霍金的三次打赌上。他曾和霍金打赌三次,分别赌天鹅座X-1不是黑洞,宇宙中不存在裸奇点,和黑洞会摧毁一切信息。三次霍金都输了。三次打赌,索恩得到了霍金为他订了一年的色情杂志《阁楼》,(虽然索恩辩解称他只想要看杂志的“文章”,但还是被妻子臭骂了一通),一件包裹“裸体”的T恤衫,(霍金不甘心地在体恤上写下“大自然讨厌裸露”),还有一本百科全书。如今,他们的赌据还贴在索恩的办公室墙上,

  探测引力波,应该是索恩打下最大的豪赌了。这个赌局长达40余年,耗费了大量的资金和数以千计的科学家长年累月的工作。1972年,雷纳?韦斯在麻省理工的校内期刊上发表了探测引力波的方案,索恩读了,当时觉得这想法太疯狂了,根本不可行,因为要实现雷纳的激光干涉仪的实验想法,需要达到很高很高的精密程度才能实现。但之后两人在俄罗斯滑雪交谈一番后,索恩被说服了。他加入了LIGO计划,成为了LIGO的联合创始人。索恩在理论上搭建起引力波探测的研究框架,从无到有开创了引力波探测的很多子方向。随后,索恩说服加州理工学院支持引力波探测研究,并组织上千名科学家共同从事试验,还把美国国家科学基金会也拉了进来,LIGO成为该基金会资助力度最大的一个项目。

  但“赌神”索恩并未料到,捕捉到引力波信号的那一瞬,需要人类经历如此漫长艰辛的努力。索恩曾对学生说1980年前引力波就会被探测到,后又与人打赌说,LIGO在2000年前定会探测到引力波,但曾在“科学赌局”中赢过霍金3次的索恩,这两次却都错了。

  2009年从加州理工退休时,他预计人类会在10年之内首次观测到引力波,因此他在电影《星际穿越》的设定中,把发现虫洞的时间安排在了2019年。

  这一次,他猜对了,而且时间提前了整整4年。

  2015年9月14日,百年前曾被阿尔伯特·爱因斯坦所预言的宇宙引力波第一次被探测到了。这些引力波来自两个黑洞的相撞,它们经过13亿年的长途跋涉到达了美国的LIGO探测器。

  随后,LIGO好消息不断,2015年12月26日,2017年1月4日,2017年8月14日,LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波。

  2017年8月17日,即将关闭探测到LIGO探测到了约1.3亿年前双中子星碰撞产生的引力波。全球几乎所有的天文望远镜都对准了长蛇座NGC4993星系,观看这场盛大的“宇宙烟火”。在浩淼的宇宙面前,“人类终于耳聪目明了”。

  作为人类历史上最重大的发现之一,LIGO探测到引力波的意义不仅在于直接验证广义相对论和它预言的引力波的存在,更重要的,它开启了多信使天文学的时代。如索恩在演讲中所讲,未来,引力波的探测将会常态化,随着仪器精密度的提高,黑洞合并的探测将从一天一次,变为一小时一次,超新星爆发等现象也会被观测到,对原初引力波的研究还可能解开宇宙诞生的秘密。

  正因为此,较少奖励最新发现的诺贝尔物理学奖,毫无悬念地火速颁给了引力波三剑客雷纳·韦斯(Rainer Weiss),基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish)。

  在论坛上,索恩接受了很多问题,有人问他的生活是否和《生活大爆炸》中的科学家的生活方式相似?老头子一本正经地答到:“我的生活和正常人一样。”还有一个问题更令我印象深刻,“你为什么这么爱打赌?”“不,我不爱赌博,我只为物理学下注”,索恩说。

  网易科技根据未来论坛现场录音听译,整理了两位诺奖得主的演讲。

  以下为基普?索恩的演讲全文,略经编辑。

  我想给大家讲讲我的个人经历,我和雷纳·韦斯(Rainer Weiss)之间是如何进行合作的,以及我早期的一些研究经历。

  我是理论物理学家,雷纳·韦斯是实验物理学家。我关注的是理论,他关注的是如何让这些理论应用到现实中。我也非常希望能够通过理论的工具,比如爱因斯坦的相对论,来推动物理学的发展。

  1962年到1965年,我在普林斯顿大学读博士,我的博士导师是约翰·惠勒(John Wheeler),他是黑洞理论和中子星理论的著名学者,他发明了“黑洞”这个名词。当时,我们的小组中一个非常重要的课题,叫做实验重力,这个小组是由鲍勃·迪克(Bob Dicke)领导的。我们用了爱因斯坦相对论来做相关的实验证明研究,来检测物理学一些非常基础的原理。在鲍勃的小组里,有一位非常重要的成员,就是雷纳·韦斯,他是鲍勃的博士后。当时,我并没有意识到,如今在天文学界会有如此伟大的一次发现,我也万万没有想到,我学习的这门功课,给我带来一个这么精彩的科研成果。

  1963年我去了法国Les Houches,读一个夏天的研讨班。在那里,我遇到了乔?韦伯(Joe Weber),现在LIGO用到的引力波理论就是他研究的方向。当时我从他那里学习了引力波的相关知识,我对此非常的感兴趣。

  1966年,我去了加州理工大学,在那里和我的同事们做了一个理论小组,研究中子星,黑洞还有引力波。当时我就了解到,很多的科学理论是可以用引力波来证明。在1972年,我和一位叫比尔·普莱斯(Bill Press)的学生一起对比了一下电磁波和引力波的区别。引力波和电磁波都能够从遥远的空间的另一端给我们带来信息,但是这两种波是完全不一样的。

  伽玛波、微波、电磁波、无线电波等等,所有的波都有它自己的一种频率,包括电磁波也是具备所有的特征。它其实是一个电磁场的振动,这个振动在时空当中的传播就叫做电磁波。刚刚雷纳·韦斯教授跟我们也谈到了在空间变化的时候,我们会发现它有的时候会发生扭曲,有的时候会收缩,有的时候会伸长。我们发现电磁波还有一个特征,它其实是一个粒子、原子和分子发射的波的随机重合。但是我们发现,引力波是时空本身的振动和扭曲,它的源的质量和能量都是非常大的,它所形成的波是一个相干辐射,这和很多天体电磁波是不一样的。另外,我们发现电磁波能够非常容易吸收,也非常容易散射。但是引力波其实是不太会被吸收,也不会被分散,所以即便是在宇宙大爆炸的时候,所产生的引力波到现在也还存在。那个时候宇宙是非常致密的,密度是非常高的,那个时候的波一直留存到了现在。

  在七十年代,我们发现,有很多的引力波的波源是没有办法以电磁的方式来观测到的,包括黑洞,例如两个黑洞合并成一个,这些东西都没有办法通过电磁波或者是无线电波的方式观测到。这两者之间的不同,其实就告诉我们,我们很有可能能够从引力波当中找到一些惊喜。同时我们能够了解整个宇宙是怎么样进化的,是有这样的一个可能性的,所以我们就需要去检测和观察引力波,我个人对此非常感兴趣,很想要成为这个学术运动中的一员。

  1972年,在比尔·普莱斯和我发表了第一篇文章的同一年,雷纳·韦斯推出了关于如何探测引力波的一个方案。这篇文章当时是发表在一份麻省理工学院内部的学术期刊上的,他并没有对外发表。引力波探测的理论发表在一本非常小的校内的期刊上面,非常有意思。他相信,直到他的探测器能够在未来真正探测到引力波之后,才可以真正在公开场合发布这个成果,而不是抢先发布研究成果,虽然他现在的研究成果和他四十年以前所谈论的技术和想法是一样的。

  他的提议非常吸引人,他想要剥除所有的噪音,把所有的注意力都关注到引力波的探测上来,这也是我们LIGO系统做的一件事情,就是剥除所有的噪音来探测引力波。他还描述了,这样的一个探测器到底要做到精度有多高,敏感性有多高,才能够探测到引力波,所以其实非常完整的一套方案,他甚至精确到我们这个设备要多少米长,多少米宽等等。我看了他的文章,我的博士论文就是在这篇文章中找到了灵感,然后我就写了一本关于重力的博士论文。当时我对雷纳?韦斯这篇论文的想法是,这个方案太疯狂了,完全不可行!

责编:李文瑶