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诺奖得主基普索恩:15年内有望解开宇宙诞生的秘密

逍遥摘要: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。”

诺奖得主基普索恩:15年内有望解开宇宙诞生的秘密

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!

大家试想一下,我们用镜子来测量光, 但要保证镜子的位移是所用于测量的光线波长的10的负12次方,大家能想象吗?能够测量成功吗?后来我和雷纳·韦斯、乌拉迪米尔·布拉金斯基在俄罗斯也讨论过,和雷纳讨论之后,我被说服了。在1972年,我也写了更多的论文,也花了很多的时间,把每一个细节都捋清楚,这也就是为什么我今天来到这里,因为我已经搞清楚了这一套东西,可以跟大家谈一谈。

我想强调的是,我们现在还没有制造出达到设计精度的高级LIGO探测器,2020年会达到这个精度。早在1968年,这类的一个探测器的细节还没有出来之前,布拉金斯基就提出了这样的一个概念,就是不论什么手段,都需要测量的仪器的精度达到量子尺度。如果我们要去测量一些非常大质量的物体的位置变化的时候,我们会探到一个大重量物质的量子涨落,包括我们用镜子来做这样的一个实验的话,我们就可以看到镜子的量子涨落,它的德布罗意波长是10的负17次方厘米,与探测所需要的对应变的灵敏度相当。如果能够实现这样的做法,人类会第一次观测到大物体以量子物理的方式来运动。如何在量子噪音环境中,提取出大小相当的引力波信息,这就是布拉金斯基所谓的量子非破坏性测量技术,这是理论与实验结合的一个很好的例子。这项研究是我和布拉金斯基两个研究组的合作产物,陈雁北在其中起到了至关重要的作用。

现在聊聊引力波的波源,我们通过引力波能看到什么呢?两个碰撞的黑洞,我们都知道黑洞,它其实是一个天体,基本上我们可以把它看作是一个圆形的东西,但转动的黑洞会变扁。它的重力非常强大,一般的东西都脱离不了它的引力。在表面的这个部分,叫做它的事件视界,如果说我们过了这个界限的话,任何的信号都发不出来了,因为它的引力非常的大,包括无线电波都发不出来,全部都被它吸引掉。告诉大家一个秘密,在黑洞里面,时间都是以某一个特殊的方式向中心流动的,因为没有东西可以在时间上反向行进,所以也没有东西可以逃离黑洞。

诺奖得主基普索恩:15年内有望解开宇宙诞生的秘密

上图是两个第一次用引力波探测到即将要碰撞的黑洞。这是我们的肉眼能够看到的黑洞景象。这两个黑洞在13亿年前发生碰撞的时候,我们看到的就是这样的一样子。它是非常复杂的一个模式,两个黑洞是环绕着对方进行运动,慢慢越来越近,然后碰撞到一起。这是13亿年前所发生的一件事情,彼时我们的地球上才刚刚有多细胞生物,但在离我们遥远的星系中,两个黑洞不断地围绕着对方来运动,产生引力波,最终他们碰撞产生非常强的一个引力波。这个引力波5万年前到达银河系外围的时候,我们人类的祖先还在与尼安德特人分享地球。引力波在银河当中旅行,然后到达地球的时间就是2015年,先到南极,然后它又向上穿过地球,首先是被我们路易斯安那的监测站监测到了,然后在华盛顿又被监测到了,然后它继续旅行,穿过地球,这就是我们观测到的现象。

引力波是从黑洞来的,但是黑洞并不是由物质组成的。确实,黑洞被认为是恒星爆炸坍缩产生的,恒星本身的物质会进一步被破坏,变化成奇点藏在黑洞里面,但其实黑洞的组成是弯曲的时空。大家可以去想象一下,把两个黑洞放在一个二维的面上,由于黑洞的周长和直径相比太小了,这个面不能和桌面一样是平的,必须被二维面弯曲放在一个更大的三维空间内。《星际穿越》是把三维空间放在四维里。

诺奖得主基普索恩:15年内有望解开宇宙诞生的秘密

这和雷纳的网格是一个意思,时间的减慢在这张图上是用颜色表达的。在红色的这个地方,时间是比较慢的。这些箭头指向了空间运动的方向,以及时空弯曲的方向。在黑洞彼此环绕,并最终碰撞在一起的时候,产生的效果就好像在海平面中扔一块石子,水先会下降,然后再向上去激起非常大的浪花。在两个黑洞融合到一起之后,他们中间的空间会升起来,这个时候会有引力波产生,同时产生巨大的能量。相当于三个太阳质量的能量,转化成了引力波。这个碰撞的过程是非常快的,单位时间的能量非常大,是所有的宇宙中,星球能量在那个时间段的总和的50多倍以上,是一个令人难以置信的奇观。

最后,我想讲一下引力波的未来。在未来,我们首先会对LIGO系统进行改进。现在如果打开LIGO系统,在两个检测器都在运行的情况下,像雷纳·韦斯这样的实验物理学家去观察,一到两个月会观测到一次双黑洞的合并。所以我们基本上可以说,目前这样的现象是一个月能观测到一次。如果我们能够提高LIGO的灵敏性,我们看到黑洞合并事件的机率将会是现在的27倍。也就是说,我们的观测效率可以从之前的一个月观测到一次,到一天观测到一次。这个改进大概在2020年的时候能实现。这也是为什么雷纳·韦斯和其他的同事关闭了检测器,关闭了一年的时间,对它做进一步的改进,增强它的灵敏度。这将是一个非常重要的实践,让LIGO达到设计灵敏度。

未来,在引力波天文学领域,还会有更多激动人心的可能。在二十一世纪的二十年代后期,如果Voyager这样的设备能够进一步改善灵敏性,我们每一个小时就能够看到一次双黑洞的碰撞。在欧洲还有一个爱因斯坦望远镜,它将在二十一世纪三十年代的时候能够进行进一步的宇宙探测,它将能够看到、了解到宇宙中的每一次的双黑洞的合并,只要这个质量是在1000太阳质量以下的。这也是我们未来的进展的一个方向。

同时我们还能够观测到其他引力波的来源,比如中子星和脉冲星,我们也确实观测到了两个中子星的碰撞,同时我们也知道了它的质量一般是1.5倍的太阳质量,而且我们能够看到脉冲星或者中子星在进行旋转的时候,我们能够看到他们在这个过程中也会产生引力波,大家也会把它了解成在中子星表面有一些山脉,然后它会产生一些引力波,同时我们还会看到黑洞能够摧毁中子星。

正如雷纳·韦斯所说的,未来,我们希望能观测到恒星在形成中子星的过程中爆炸,产生超新星。这将帮助我们去进一步观测引力波、中微子以及电磁波,进而了解这个过程中的一些细节,以及超新星是如何诞生的。我们还可能看到理论假设的宇宙弦,像橡皮筋或琴弦一样散布在全宇宙中。它们可以被看成时空的缺陷,弹它们就像弹琴一样,会发射引力波。当然除此之外,还会有更大的惊喜。

在未来15年甚至是20年的过程中,会有四种不同的引力波的窗口被打开。在LIGO,所能够观测到的引力波是在几微秒的周期,LISA观测的引力波的周期增加到几分钟到几小时。PTA会进一步的增加到几年甚至是几十年。还有CMB,它会做一个极化的探测,是数亿年的周期,这比一般研究人员的寿命还长,所以我们不去观测变化,而是去看这个变化的影响在天空中的分布。

这些窗口类比于X射线天文学,伽玛射线天文学和辐射天文学,在未来15到20年中,这些不同的领域都将会是我们可以进行研究的新领域,这非常激动人心。有三个窗口是和LIGO不一样的探测器。

首先是LISA,它是一个激光干涉空间天线,它在百万公里的空间距离范围内进行探测,使得我们能够进行非常长周期的引力波的观测,从几分钟到几个小时,它们的波长是非常长的,进而大家能够观测到从巨型的星系中央黑洞发出的引力波,这是非常强烈的信号,可能比噪音要高于数万倍甚至更多。这样我们能够了解到时空形状的细节,而且精度会非常高。我和惠勒把它叫做几何动力学。还有就是,当小的黑洞围绕大的黑洞旋转的时候,它会逐渐进入到大的黑洞中,LISA的观测能够帮助我们,像绘制火星地图一样,对这些空间进行完整的测绘。

再说PTA,它会探测在地球周围的引力波,我下面讲的严格上并不正确,但是接近事实。这些波在地球周边,会放慢时间演化的速度,然后再增加速度,再放慢,再增加。射电天文学家会通过对不同天空中的脉冲星监测,非常精确的去探测他们的时间。如果所有这些脉冲星都一起加速、减速,加速、减速,这就是引力波的信号,因为引力波影响了地球中所有钟表的时间。有了这样的技术,我们可能会观测到超大的黑洞并合,它的质量相当于数十亿个太阳的质量。

最终,在未来的15年中,我们会开始去真正研究宇宙的诞生,以及其基本力的诞生,而这和所有的自然现象相关。最开始在宇宙还非常年轻的时候,是不存在电场和磁场这样一个概念的,所以在当时,麦克斯韦方程是不存在的。但是到了10的负12次方秒时间段中,出现了电磁力还有弱相互作用区分,它们分开,然后就出现了电磁力,然后又出现了核力,核能。这个过程很可能以一阶相变的方式达到。新生成的力是在类似于气泡的地方存在的,而这些气泡是内部存在电磁力的,外面没有,而且它们也会不断地扩张。气泡撞击时会产生非常强的引力波。宇宙在不断膨胀的过程中,这些波的波长会不断的变长,进入 LISA的探测波段。同样,LIGO也能够看到在10的负33秒中,发生类似相变产生的引力波。但我们并不知道那时的物理定律是什么样的,所以这也是需要我们去进行进一步探索的。

我们还希望在未来能够去观测到在宇宙最初产生的时候的引力波,也就是原初引力波。大爆炸时有一些引力波量子扰动产生,但极小。在宇宙大爆炸之后,我们会发现,引力波在暴涨过程中不断地被放大。这个引力波与微波背景辐射作用,影响原初等离子体,在微波背景辐射电磁波的极化中留下了印记。宇宙学家们在研究和测量CMB,并且研究这个极化的过程。现在他们面临的最大挑战,把噪音是如何从信号中分离出来。我觉得,未来我们还需要5到10年的时间才能够完全剥离出来这些噪音,看到非常单纯的引力波。这一成果将让我们了解到宇宙大爆炸还有暴涨共同的特征。

最后,我想说,在四百年前,伽利略用望远镜仰望星空,发现了木星有卫星。两年之前,也就是2015年,我们用LIGO检测到了两个黑洞碰撞产生的引力波,我们了解宇宙的方式正在不断地发生变化,正在不断地进步,我个人对人类四百年里对宇宙的探索感到非常兴奋。在这四百年间我们取得了如此大的进步。我也非常想知道,在下一个四百年,人类观测宇宙、了解宇宙的方式会发生什么样的变化。 

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