導(dǎo)讀:400年前,伽利略開始用望遠(yuǎn)鏡仰望星空。兩年前,我們第一次直接觀測到了引力波。人類認(rèn)識世界的進(jìn)程,令人心潮澎湃??茖W(xué)的火種,在宗教、戰(zhàn)爭的威逼面前或許顯得弱小,但人類一旦開始科學(xué)的征途,就絕對不會(huì)停息。最終,科學(xué)會(huì)證明自身才是最強(qiáng)大的力量。
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2015年9月14日,人類首次直接探測到了引力波這個(gè)愛因斯坦在一百年前預(yù)言的奇妙現(xiàn)象,并在2016年初公布后引爆了公眾輿論。2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),授予了對此做出決定性貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家雷納·韋斯(Rainer Weiss)、巴里?巴里什(Barry Clark Barish)和基普·索恩(Kip Stephen Thorne)。
2017年12月18日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院的科普論壇“墨子沙龍”舉行了引力波大會(huì),邀請這三位諾貝爾獎(jiǎng)得主演講,并現(xiàn)場回答提問。科大常務(wù)副校長潘建偉院士擔(dān)任主持人,臺下的觀眾充滿熱情,提問絡(luò)繹不絕,網(wǎng)絡(luò)直播也有幾十萬人觀看。
墨子沙龍引力波大會(huì)
三人的報(bào)告題目都是《向科學(xué)家、工程師以及他們的學(xué)生介紹LIGO和引力波》(LIGO and Gravitation Waves for Scientists, Engineers and their Students),LIGO就是他們的探測器(激光干涉引力波天文臺,Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)。雷納·韋斯、巴里?巴里什和基普·索恩依次介紹這個(gè)題目的第一、二、三部分。我躬逢其盛,在這里向大家介紹一下引力波的基本概念,以及這次大會(huì)的有趣見聞。
向科學(xué)家、工程師以及他們的學(xué)生介紹LIGO和引力波,第一部分
最基本的問題是:“引力”為什么會(huì)有個(gè)“波”?
兩個(gè)黑洞合并,放出引力波,形成類似太極的圖案
對此基本的回答是:因?yàn)闀r(shí)空有了結(jié)構(gòu)。
展開來解釋一下。我們平時(shí)觀察到的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),都是發(fā)生在時(shí)空之中的。不妨理解為,物質(zhì)是演員,時(shí)空是這些演員表演的舞臺。普通的波,例如水波、聲波、電磁波,都是演員在運(yùn)動(dòng),舞臺不動(dòng)。而引力波,是舞臺本身的運(yùn)動(dòng)。所以在許多報(bào)道中,把引力波稱為“時(shí)空的漣漪”。
舞臺能有波動(dòng),是因?yàn)樗诓煌牡胤娇梢杂兴煌?,也就是“有結(jié)構(gòu)”。這是廣義相對論特有的性質(zhì),牛頓力學(xué)和狹義相對論都沒有。
牛頓:又有人要把我批判一番,搞個(gè)大新聞?
如果你對引力波、相對論的細(xì)節(jié)不感興趣,或者無法看懂,那么你只需要記住“引力波是舞臺本身的運(yùn)動(dòng)”就夠了,這一點(diǎn)認(rèn)識就足以使你超越大多數(shù)的吃瓜群眾。如果你想了解更多,那么我們繼續(xù)往下談。
在牛頓力學(xué)中,時(shí)空是一個(gè)平淡無奇的舞臺,因?yàn)闀r(shí)間就是均勻的流逝,空間就是均勻的綿延。無論物質(zhì)有多少、怎么運(yùn)動(dòng),對這個(gè)舞臺都沒有影響,所以不可能有波動(dòng)?,F(xiàn)在我們把牛頓的時(shí)空觀稱為絕對時(shí)空觀。
愛因斯坦的相對論之所以叫相對論,就是因?yàn)樗蚱屏伺nD的絕對時(shí)空觀,從此時(shí)空變成相對的東西了。
牛頓力學(xué)有什么地方不對呢?不對的是“速度的疊加”。比如說,你在一列速度為50米每秒的火車?yán)锴斑M(jìn),你相對于火車的速度是5米每秒,那么你相對于地面的速度就是55米每秒。這很符合日常的經(jīng)驗(yàn),但應(yīng)用到光速時(shí),問題就來了。
地球既然在宇宙中運(yùn)動(dòng),根據(jù)牛頓力學(xué),光在地球不同方向(例如經(jīng)線和緯線方向)的速度就應(yīng)該不同。1887年,真的有人做了這樣的實(shí)驗(yàn),這是一個(gè)非常著名的實(shí)驗(yàn),叫做邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)(Michelson–Morley experiment)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常精密,如果光在地球不同方向的速度有差值,就會(huì)由于兩路光走過的路程不同(即有“光程差”),產(chǎn)生干涉條紋。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓所有人大吃一驚:看不到干涉條紋。也就是說,測不出任何差值!
邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn),本來以為會(huì)觀測到干涉條紋,結(jié)果卻是沒有干涉條紋
許多科學(xué)家對此提出了種種解釋,但都是小修小補(bǔ),只在這里打塊補(bǔ)丁,顧不上其他地方,結(jié)果是左支右絀,把整個(gè)物理學(xué)體系搞得矛盾百出。1905年,愛因斯坦邁出了革命性的一步。他提議,“光速在所有的參照系中都不變”應(yīng)該作為一條基本原理,而不是一個(gè)要從其他原理推出的結(jié)論。
愛因斯坦:大家好,我來了
一旦邁出這一步,后面的推理就順理成章了。根據(jù)光速不變原理,再加上一條“相對性原理”(在所有的慣性參照系即做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系中,物理規(guī)律都具有相同的形式),愛因斯坦就推出了整個(gè)狹義相對論。
根據(jù)狹義相對論,可以得到許多驚人的結(jié)果,例如鐘慢效應(yīng)(在運(yùn)動(dòng)的參照系中時(shí)間流逝得比靜止的參照系中慢)、尺縮效應(yīng)(在運(yùn)動(dòng)的參照系中距離比靜止的參照系中短)。
而所有結(jié)果中最驚人的,是質(zhì)能關(guān)系E = mc2(這里c是光速,約等于30萬公里每秒),一個(gè)體系包含的能量等于它的質(zhì)量乘以光速的平方。能量和質(zhì)量在某種意義上是一回事,只差一個(gè)常數(shù)因子。
根據(jù)質(zhì)能關(guān)系,只要知道任何一個(gè)過程(例如核反應(yīng))前后的質(zhì)量差,就可以預(yù)測這個(gè)過程放出的能量,都不需要知道過程的細(xì)節(jié)。這正是核武器的基本原理。所以對于懷疑狹義相對論的人(尤其是熱衷于推翻相對論的民科),我們可以提出一個(gè)非常硬的證明,就是核武器!
廣島和長崎的原子彈爆炸
狹義相對論使我們對時(shí)空的理解,也發(fā)生了深刻的變化。在牛頓力學(xué)中,時(shí)間就是時(shí)間,空間就是空間,兩者不會(huì)混合到一起。而在狹義相對論中,時(shí)間和空間必不可免地會(huì)混合到一起。
對此最方便的理解,是回顧一下高中學(xué)的解析幾何。在解析幾何中,如果你把坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)一下,就可以把新的坐標(biāo)軸方向x′、y′變成舊的坐標(biāo)軸方向x、y的組合。但無論你采用什么坐標(biāo)系,解題時(shí)都會(huì)得到相同的結(jié)果。所以任何一個(gè)單獨(dú)的坐標(biāo)軸方向都不重要,真正重要的只是它們的組合。
坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn),把新的坐標(biāo)軸方向x′、y′變成舊的坐標(biāo)軸方向x、y的組合
同樣的,在狹義相對論中,換一個(gè)參照系就可以把時(shí)間部分地變成空間,把空間部分地變成時(shí)間,所以時(shí)間和空間各自都不重要,真正重要的是它們的整體,即“時(shí)空”。原來的一維時(shí)間、三維空間,整合成了四維的時(shí)空。鐘慢效應(yīng)、尺縮效應(yīng)、質(zhì)能關(guān)系等等,原因都在于這個(gè)新的時(shí)空觀。
狹義相對論表明了,所有的慣性參照系都是等價(jià)的,物理規(guī)律在所有的慣性參照系中都具有相同的形式。下一個(gè)問題自然就是,非慣性的參照系怎么辦?我們能不能構(gòu)造一種理論,使得物理規(guī)律在所有的參照系中都具有相同的形式,無論它們是不是慣性參照系?
非慣性的參照系,就是存在加速度的參照系。愛因斯坦注意到,一個(gè)質(zhì)量為m的物體受到的萬有引力正比于m,而由此產(chǎn)生的加速度等于引力除以質(zhì)量,把m又除掉了,所以跟m無關(guān)。因此,一個(gè)非慣性參照系跟一個(gè)引力場,在物理上是等價(jià)的。
舉個(gè)例子,如果你置身于一艘遠(yuǎn)離任何星球的宇宙飛船之中,它的加速度等于地球上的重力加速度,那么你看到的現(xiàn)象將跟在地面上完全一樣。你會(huì)感到向下的重力,所有的物體會(huì)自發(fā)地往下掉。如果不向外看,你無法判斷你是在地球上,還是在這樣一艘飛船里。
引力場和非慣性參照系的等價(jià)性,叫做“等效原理”。愛因斯坦從這個(gè)原理出發(fā),把狹義相對論推廣成了廣義相對論。
愛因斯坦:大家好,我又來了
狹義相對論的數(shù)學(xué)比較簡單,基本的微積分就夠了,甚至不用微積分、只用高中數(shù)學(xué)都能得到大半。而廣義相對論的數(shù)學(xué)就非常復(fù)雜,要用到“微分幾何”,連大學(xué)物理系里非理論物理專業(yè)的學(xué)生都大多不會(huì),愛因斯坦本人也是在推導(dǎo)的過程中找數(shù)學(xué)家朋友現(xiàn)學(xué)的。
但最重要的是,這樣一套復(fù)雜的理論居然推導(dǎo)出來了,而且經(jīng)過許多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,證實(shí)它非常精確。凡是廣義相對論跟牛頓力學(xué)預(yù)測不同的地方,全都是廣義相對論正確,牛頓力學(xué)錯(cuò)誤。
這樣的例子包括,水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光在經(jīng)過太陽時(shí)的偏折、不同高度鐘表的走時(shí)差別等等。最后這個(gè)效應(yīng)對于GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)非常重要,如果不考慮原子鐘在地面和在衛(wèi)星上的時(shí)間差,定位就會(huì)差之毫厘謬以千里。
在廣義相對論中,我們對引力的描述方式變得比牛頓的平方反比律復(fù)雜多了,成了繞一個(gè)很大的彎子:質(zhì)量引起時(shí)空的彎曲,物體在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng),看起來就像是受到引力的作用一樣。
這話是什么意思?
我們看一張平坦的紙,它的曲率是零。在這張紙上面,三角形的內(nèi)角和等于180度,圓的周長等于2π乘以半徑,如此等等,歐幾里得幾何(就是你初中學(xué)的平面幾何)的定理都成立。
如果把這張紙變形一下,比如說變成一個(gè)球面,曲率大于零,許多歐幾里得幾何的定理在這里就不成立了。例如,三角形的內(nèi)角和大于180度(你甚至可以做出三個(gè)內(nèi)角都是直角的球面三角形,它的內(nèi)角和高達(dá)270度),圓的周長小于2π乘以半徑。
球面三角形
如果把這張紙變成馬鞍形,曲率小于零,你同樣也會(huì)發(fā)現(xiàn)許多違反歐幾里得幾何的現(xiàn)象,只是表現(xiàn)在相反的方向。例如,三角形的內(nèi)角和小于180度,圓的周長大于2π乘以半徑。
馬鞍面上的三角形,內(nèi)角和小于180度
當(dāng)我們把彎曲的對象從一張紙(一個(gè)二維的面)推廣到相對論的時(shí)空(一個(gè)四維的幾何結(jié)構(gòu)),就明白“時(shí)空彎曲”是什么意思了,就是時(shí)空的每一點(diǎn)都可以有個(gè)或正或負(fù)或零的曲率。廣義相對論給出了質(zhì)量與附近的時(shí)空曲率之間的關(guān)系,質(zhì)量越大,對周圍的時(shí)空產(chǎn)生的彎曲就越大。
當(dāng)一個(gè)物體不受其他力、只在引力的作用下運(yùn)動(dòng)時(shí),無論時(shí)空是彎曲的還是平坦的,它都只是按照距離最短的路線即“短程線”運(yùn)動(dòng)。如果時(shí)空是平坦的,短程線就是直線,這時(shí)沒有引力,它做的就是勻速直線運(yùn)動(dòng)。如果時(shí)空是彎折的,短程線就變成了曲線。這時(shí)在其他觀察者看來,這個(gè)物體似乎就是在引力的作用下運(yùn)動(dòng)。例如地球繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道,就是地球在太陽周圍的彎曲時(shí)空中的短程線。
太陽導(dǎo)致的時(shí)空彎曲,使地球的短程線變成曲線(虛線是直線,實(shí)線是實(shí)際走的路線,即短程線)
用一個(gè)常用的比喻來說:太陽好比一個(gè)大胖子,他往沙發(fā)上一坐,就產(chǎn)生一個(gè)大坑,其他人坐在沙發(fā)上時(shí),都會(huì)不由自主地被這個(gè)大坑陷進(jìn)去!
太陽導(dǎo)致時(shí)空彎曲
現(xiàn)在你可以明白,在廣義相對論中,不同地方的時(shí)空可以具有不同的曲率,所以說時(shí)空有了結(jié)構(gòu)。既然有了結(jié)構(gòu),自然就可以波動(dòng)了。實(shí)際上,根據(jù)廣義相對論,引力波應(yīng)該是一種極其常見的現(xiàn)象,任何不是球?qū)ΨQ的物體的加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波。
任何非球?qū)ΨQ物體的加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波
咦,既然引力波這么常見,我們?yōu)槭裁椿诉@么久才探測到它?
原因在于,引力波的可觀測效應(yīng)非常小。
引力波的實(shí)際效果,是使時(shí)空在某一個(gè)方向壓縮,在另一個(gè)垂直的方向伸長。在武俠電影中,經(jīng)常有一拳打出造成時(shí)空波動(dòng)的形象,對,就是這個(gè)feel!
霸王拳?。ā度龂萘x》動(dòng)畫2017版,第一季第一集)
更具體地說,引力波在距離為L的兩點(diǎn)之間產(chǎn)生的變形,等于L乘以一個(gè)常數(shù)h。實(shí)驗(yàn)上真正要測量的目標(biāo),就是這個(gè)比例常數(shù)h。
但是這個(gè)比例常數(shù)小得驚人。對于兩個(gè)黑洞合并、把三個(gè)太陽質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)化為引力波這樣暴烈的事件(這就是2015年9月14日探測到的引力波事件),h也只有10的-21次方的量級!
LIGO的光路長度是4公里。在這個(gè)距離上,變形只有10的-18次方米的量級。一個(gè)原子的半徑,都大約有10的-10次方米。一個(gè)原子核的半徑,大約是10的-15次米。想想看,在幾公里的長度上,只差一個(gè)原子核半徑的千分之一,這是什么樣的難度!這種實(shí)驗(yàn)是不是堪稱瘋狂!
引力波測量的挑戰(zhàn)
這正是人類花了100年才探測到引力波的原因。但最神奇的是,我們終究還是做到了!
LIGO的探測原理,跟邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)有相似之處,都是通過光程差產(chǎn)生干涉條紋。不同之處在于,相對論會(huì)告訴你,邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)中看起來應(yīng)該有光程差,但“這個(gè)真沒有”,而LIGO實(shí)驗(yàn)中看起來沒有光程差,但在引力波通過時(shí)就“這個(gè)可以有”。正是由于干涉條紋對于光程差的極端敏感性,才能測出這么微小的效應(yīng)。
LIGO的探測原理
實(shí)際上,現(xiàn)代科學(xué)的許多成果,都來自探測技術(shù)的進(jìn)步。
2016年8月16日,中國發(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”。它的主要成果之一,是在衛(wèi)星與地面站之間實(shí)現(xiàn)量子保密通信。而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),關(guān)鍵就是在星地之間上千公里的距離上,探測到單個(gè)光子,因?yàn)榱孔颖C芡ㄐ乓笠粋€(gè)光脈沖只能包含一個(gè)光子。
衛(wèi)星和地面處于高速的相對運(yùn)動(dòng)之中,所以它們之間的對準(zhǔn)難度很大,好比“在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進(jìn)一列全速行駛的高鐵上的一個(gè)礦泉水瓶里”。但經(jīng)過潘建偉等研究者的艱苦努力,我們終究還是做到了!
墨子號量子衛(wèi)星與興隆地面站用信標(biāo)光對準(zhǔn)
最近,日本科學(xué)家也發(fā)射了一顆衛(wèi)星,用來研究量子保密通信。由于他們的對準(zhǔn)精度不夠,為了收到信號,一個(gè)光脈沖不得不包含一億個(gè)光子,所以這顆衛(wèi)星沒有實(shí)現(xiàn)量子保密通信,只是驗(yàn)證了一些相關(guān)的技術(shù)。對此事的詳細(xì)分析,可以參見我的文章《日本真的成功進(jìn)行超小型衛(wèi)星量子通信實(shí)驗(yàn)了嗎?》(https://mp.weixin.qq.com/s/h0X0Tz6Ijw-eWaxqi9q2cg)。這件事從反面表現(xiàn)出,探測技術(shù)的進(jìn)步有多么重要。
實(shí)際上,科學(xué)界在直接探測到引力波之前,就普遍相信引力波的存在,因?yàn)樗缇捅婚g接探測到了。1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),授予了拉塞爾·赫爾斯(Russell A. Hulse)和小約瑟夫·泰勒(Joseph H. Taylor Jr.),原因是他們在1974年發(fā)現(xiàn)了一種新的脈沖星,這就是引力波的間接證據(jù)。
拉塞爾·赫爾斯和小約瑟夫·泰勒
請注意,這兩人的成果不是發(fā)現(xiàn)脈沖星,而是發(fā)現(xiàn)一種新的脈沖星。脈沖星是一種發(fā)出周期性電磁脈沖的天體。由于它的周期很準(zhǔn),最初人們把這種脈沖當(dāng)作外星人發(fā)來的信號,甚至還為外星人起了個(gè)名字“小綠人”。
小綠人
發(fā)現(xiàn)脈沖星的,是劍橋大學(xué)教授安東尼·休伊什(Antony Hewish)和他的學(xué)生喬瑟琳·貝爾(Jocelyn Bell),時(shí)間是1967年。1974年,安東尼·休伊什獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。很遺憾,喬瑟琳·貝爾沒有獲獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)可能壓根沒注意到她的存在。這是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一個(gè)重大的缺憾。
拉塞爾·赫爾斯和小約瑟夫·泰勒的新發(fā)現(xiàn)是,有一個(gè)脈沖星的周期在逐漸伸長,說明它的能量在逐漸損失。兩人對此的解釋是,這個(gè)體系其實(shí)是兩顆相互圍繞旋轉(zhuǎn)的脈沖星,它們在通過引力波放出能量。觀測到的能量損失的速度,跟理論預(yù)測的完全相符,所以大家都公認(rèn)這是引力波存在的強(qiáng)有力證據(jù),不過畢竟是間接證據(jù)。所以LIGO的成果,是第一次發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù),是個(gè)“實(shí)錘”。
引力波存在的間接證據(jù)。右圖中的各個(gè)點(diǎn)是能量損失的觀測數(shù)據(jù),曲線是理論預(yù)測,兩者吻合的程度驚人
引力波的傳播速度跟電磁波一樣,都是光速。但引力波有一個(gè)特點(diǎn)跟電磁波非常不同,就是它很難被吸收,也就是說很不容易衰減。在這個(gè)意義上,引力波可以傳遍整個(gè)宇宙。我們甚至有望聽到“原初引力波”,它是138億年前作為宇宙開端的大爆炸的余響。
電磁波與引力波的對比
因此,引力波是一種全新的探測工具,通過它,我們可以對許多以前無法觀察的現(xiàn)象獲得了解。這可能給我們對宇宙的認(rèn)識,帶來一場革命。未來15年,多個(gè)領(lǐng)域的引力波探測窗口將一個(gè)個(gè)打開,我們將迎來一個(gè)引力波科學(xué)的黃金時(shí)代!
四個(gè)領(lǐng)域的引力波窗口將在未來15年內(nèi)開啟
原則上,引力波也可以作為一種發(fā)送信息的手段。在劉慈欣的小說《三體》中,人類就是通過引力波廣播的方式,把三體星的坐標(biāo)公布出去的。有趣的是,發(fā)射引力波的那艘飛船就叫做“萬有引力號”。
《三體》中的頭號英雄章北海
現(xiàn)場有觀眾提問:引力波作為一種傳送信息的工具,效果怎么樣?
基普·索恩的回答是:在發(fā)射方面,可以認(rèn)為引力波是一種很好的方法,因?yàn)樗梢詡鞅檎麄€(gè)宇宙。但是,在接收方面,引力波是一種非常糟糕的選擇,因?yàn)樘綔y它實(shí)在太困難了。因此,引力波會(huì)是你愿意采取的最后一種傳送信息的方法。如果不是別無選擇,你應(yīng)該是沒有理由用引力波來傳送信息的。
我想,《三體》里受到三體人攻擊、要被趕到澳大利亞團(tuán)滅的地球人,就是到了這種別無選擇的時(shí)候吧!
現(xiàn)場還有觀眾提問:按照粒子物理的描述,引力是由引力子來傳遞的。我們已經(jīng)探測到了引力波這么微弱的信號,是不是也快探測到引力子了?
回答是:理論分析表明,引力子的數(shù)量是如此巨大,以至于幾乎無法探測到單個(gè)的引力子。我的估計(jì)是,我們這一代看不到,你這一代看不到,你的下一代也看不到。
在這些關(guān)于引力波的科學(xué)知識之外,三位諾貝爾獎(jiǎng)得主的人生感悟也給我留下了深刻的印象。
基普·索恩是三人中唯一的理論家。1953年,他在13歲時(shí),讀到了美籍俄裔物理學(xué)家、大爆炸理論的提出者之一喬治·伽莫夫(George Gamow)的科普著作《從一到無窮大》(One Two Three ... Infinity),從此立志投身科學(xué)。我也看過伽莫夫這本名著,也深受感動(dòng),這確實(shí)是一部值得向所有人推薦的經(jīng)典著作。
基普·索恩被《從一到無窮大》感動(dòng):煙雨,我平凡事,此生,我懷大志……(背景音樂:《一人飲酒醉》)【https://y.qq.com/n/yqq/song/004CUmOM0vQjER.html】
在加州理工學(xué)院上大學(xué)的時(shí)候(1958-1962),基普·索恩的感受并不像一般人想象的那樣輕松愉快,反而是感到許多同學(xué)都比自己聰明,壓力不小。用他的話說,“我掙扎了一番”(I struggled)。
基普·索恩的掙扎方法,是堅(jiān)持用自己的方式學(xué)習(xí)物理,理解物理。他寫了很多筆記,用自己的方式證明定理,現(xiàn)場展示了幾條他當(dāng)年的筆記。最終,他的堅(jiān)持不懈得到了回報(bào),他對這些物理問題獲得了透徹的理解。雖然他的理解方式可能跟其他人不一樣,但他的記憶更長久,更適合科研應(yīng)用。
我掙扎了一番
從正常的觀點(diǎn)看來,基普·索恩是個(gè)“學(xué)霸”,但是他講的偏偏是這樣一個(gè)“勤能補(bǔ)拙”的故事。因此,我覺得我們對科學(xué)家的宣傳大可不必在“學(xué)霸”、“學(xué)神”方面著墨太多,這是把重點(diǎn)帶偏了,過多地強(qiáng)調(diào)天分,反而給普通人找到了不學(xué)習(xí)的借口。真正值得多宣傳的,是學(xué)習(xí)的精神和學(xué)習(xí)的方法。
最早開始探測引力波的,是美國物理學(xué)家約瑟夫·韋伯(Joseph Weber,1919-2000),從1960年代就開始了?,F(xiàn)在普遍認(rèn)為,他的技術(shù)路線精度不夠,不可能探測到引力波。但無論如何,大家都公認(rèn)他是這個(gè)領(lǐng)域的開創(chuàng)者。
如果沒有他,根本就不會(huì)有人認(rèn)真對待這個(gè)想法。大家只會(huì)覺得引力波在理論上存在,探測不可能,然后就直接跳過了。只有約瑟夫·韋伯,用他的想象力、熱情以至于瘋狂,告訴大家探測引力波是在人力所及范圍內(nèi)的,激起了科學(xué)界對這個(gè)目標(biāo)的興趣。
約瑟夫·韋伯
引力波探測到之后,LIGO的領(lǐng)導(dǎo)人都向約瑟夫·韋伯表達(dá)了敬意?!俺晒Σ槐卦谖遥αΡ夭惶凭琛?,約瑟夫·韋伯達(dá)到了這樣的境界!
雷納·韋斯在職業(yè)生涯之初,就投身于引力波探測這個(gè)大坑,將此作為自己畢生的目標(biāo)。而基普·索恩卻不是這樣,在他剛開始作教授時(shí),是不相信人類能夠探測到引力波的。
一開始我是拒絕的
為此,在1973-1975年間,他跟雷納·韋斯等人進(jìn)行了一番辯論,但結(jié)果卻是……他被說服了!從此,他決心付出全部的努力,想盡一切辦法,和雷納·韋斯等人一起實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
我被他們說服了:我癡情紅顏,我心甘情愿,我千里把君尋……為了佳人回眸一笑,我立下這毒誓?。ū尘耙魳罚骸兑蝗孙嬀谱怼罚緃ttps://y.qq.com/n/yqq/song/004CUmOM0vQjER.html】
經(jīng)過多年的奮斗,他們終于搭建了LIGO裝置。但科學(xué)家一般并不擅長做管理,團(tuán)隊(duì)一大,管理就變得焦頭爛額,項(xiàng)目的進(jìn)度非常慢,中間還有一段時(shí)間失去了政府的資助。一個(gè)字:慘。幸好他們引進(jìn)了精通管理的巴里?巴里什,把這樣一個(gè)大型的國際合作項(xiàng)目整頓得井井有條,快速推進(jìn)。如果沒有巴里?巴里什,可能他們永遠(yuǎn)都不會(huì)成功。
最初的LIGO由于分辨率不夠,沒有得到任何結(jié)果,以至于美國國家科學(xué)基金會(huì)只愿意再給他們一次“最后的機(jī)會(huì)”。但當(dāng)2015年9月系統(tǒng)升級之后,剛剛運(yùn)行了兩天,就探測到了引力波。幸福來得太突然,令他們自己都感到意外。這就像燒水,燒到99攝氏度都不開,但再提高一度到100攝氏度,水就沸騰了。世上無難事,只要肯登攀!
在LIGO團(tuán)隊(duì)中,還有一位重要的開創(chuàng)者,英國物理學(xué)家羅納德·德雷弗(Ronald William Prest Drever)。令人遺憾的是,他在2017年3月7日去世,享年85歲。諾貝爾獎(jiǎng)不能頒給去世的人,羅納德·德雷弗可以說是與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。
1976-1978年,羅納德·德雷弗參與創(chuàng)建引力波實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)年大家都在青蔥歲月,現(xiàn)在已經(jīng)陰陽相隔。送戰(zhàn)友,踏征程,默默無語兩眼淚,耳邊響起駝鈴聲……(背景音樂:《駝鈴》)【https://i.y.qq.com/v8/playsong.html?songmid=004W7Wew2JzSXq&ADTAG=myqq&from=myqq&channel=10007100】
事實(shí)上,雷納·韋斯、巴里?巴里什和基普·索恩也分別是85歲、81歲和77歲高齡了。所以2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予這三人,可以理解為“搶救性頒獎(jiǎng)”。這樣三位老人家,仍然為了科學(xué)四處奔走,向各國人民傳播科學(xué)的知識與精神,真是令人敬佩?。ó?dāng)然,出場費(fèi)也不會(huì)少……)
引力波大會(huì)圓桌會(huì)議,三位諾貝爾獎(jiǎng)得主演講之后回答觀眾的提問。一點(diǎn)兒也不虛偽,受到了創(chuàng)傷不流淚,愛的路上不徘徊,像激流中的魚兒永遠(yuǎn)不氣餒,真叫人敬佩,真叫人敬佩,真叫人敬佩……(背景音樂:鄧麗君《你可知道我愛誰》))【https://i.y.qq.com/v8/playsong.html?songmid=004UmANY2Exazr&ADTAG=myqq&from=myqq&channel=10007100】
觀眾問得最多的問題之一,就是在長達(dá)幾十年的艱苦工作中,你們有沒有想過得獎(jiǎng)?有沒有想過放棄?
他們的回答,在科學(xué)工作者聽來都是順理成章的,幾乎是必然的回答:得獎(jiǎng)從來都不是科學(xué)研究的原因。我們做這些研究,是因?yàn)閷ρ芯勘旧淼呐d趣,日常的研究工作都是樂趣的來源。如果不是這樣,沒有人能忍受幾十年的艱苦而且可能失敗的勞動(dòng)。
著名的物理學(xué)家、1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼(Richard P. Feynman)長期在加州理工學(xué)院擔(dān)任教授,基普·索恩當(dāng)年想必也聽過他的課。費(fèi)曼講過這樣一個(gè)故事。有一家雜志來采訪他,一開始雙方都聊得很開心。最后雜志社提了個(gè)問題:你能不能講講你生活中人性的那些方面?沒想到,這個(gè)問題令費(fèi)曼勃然大怒:你的意思是,研究物理學(xué)就不是人性了?我認(rèn)為研究物理學(xué)很人性,跟旅行、打鼓或者任何其他的活動(dòng)同樣的人性!我非常人性地希望,你的雜志見鬼去吧!
理查德·費(fèi)曼
這個(gè)故事反映了對科學(xué)的一種常見的誤解。費(fèi)曼的態(tài)度雖然比較沖動(dòng),但話糙理不糙。在我看來,好奇心就是人類的天性之一,對科學(xué)的追尋不但不違反人性,而且是人性中最可貴的一部分。
在雷納·韋斯、巴里?巴里什和基普·索恩三人當(dāng)中,公眾名聲最大的大概是基普·索恩,因?yàn)樗沟俜摇せ艚穑⊿tephen Hawking)是好朋友,許多人都在《時(shí)間簡史》等著作中看到過他跟霍金就各種科學(xué)問題打賭的故事。
斯蒂芬·霍金
此外,基普·索恩還為電影《星際穿越》作過科學(xué)顧問。不出所料,現(xiàn)場也有觀眾問他關(guān)于這部電影的問題。問的是:按照《星際穿越》的啟示,通過進(jìn)入五維空間,是不是就可以時(shí)間旅行?
這個(gè)問題屬于腦洞大開,基普·索恩的回答卻是中規(guī)中矩:其實(shí),我們壓根不知道時(shí)間旅行有沒有可能。按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)理論,應(yīng)該是不可能的。我只是和霍金探討過,如果要使時(shí)間旅行成為可能,需要對理論做什么樣的修正。至于真實(shí)的宇宙是否滿足這樣的理論,還需要更多的實(shí)驗(yàn),我們現(xiàn)在并不知道。
雖然這個(gè)回答可能會(huì)讓提問者掃興,但我覺得這個(gè)回答很負(fù)責(zé)任。在公眾面前,確實(shí)應(yīng)該這樣回答,讓他們知道科學(xué)家是怎樣思考的,知道科學(xué)家跟藝術(shù)家的區(qū)別。
400年前,伽利略開始用望遠(yuǎn)鏡仰望星空。兩年前,我們第一次直接觀測到了引力波。人類認(rèn)識世界的進(jìn)程,令人心潮澎湃。人只不過是一根蘆葦,是自然界最脆弱的東西,但他是一根會(huì)思想的蘆葦??茖W(xué)的火種,在宗教、戰(zhàn)爭的威逼面前或許顯得弱小,但人類一旦開始科學(xué)的征途,就絕對不會(huì)停息。最終,科學(xué)會(huì)證明自身才是最強(qiáng)大的力量。
從400年前的伽利略到兩年前的LIGO
如前所述,令基普·索恩決心投身科學(xué)的是喬治·伽莫夫的科普著作《從一到無窮大》。為了繼承伽莫夫的事業(yè),他后來也寫了一本科普著作《星際穿越中的科學(xué)》(The Science of Interstellar),希望把科學(xué)的火焰?zhèn)鬟f下去。
《星際穿越中的科學(xué)》
這種精神,不也是我們的使命嗎?
作者簡介:袁嵐峰,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員,科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長,微博@中科大胡不歸,知乎@袁嵐峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。2017年12月18日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院邀請?jiān)瑣狗鍏⒓幽由除埖囊Σù髸?huì),本文是作者參會(huì)后的回顧。
致謝:感謝中國科學(xué)院高能物理研究所張雙南研究員在科學(xué)方面的指教。
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