2017諾獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)兩位得主講述：

發(fā)現(xiàn)引力波

一場(chǎng)四十年的“打賭”

從去年開始位居《科學(xué)》《自然》雜志年度十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)榜首，到今年諾獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域，被稱為“時(shí)空漣漪”的引力波由于證實(shí)了愛因斯坦百年前的預(yù)測(cè)，拓展了人類的科學(xué)知識(shí)邊界，成為當(dāng)之無愧的“科學(xué)網(wǎng)紅”。

2017年諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)兩名得主，在引力波領(lǐng)域的“大神級(jí)”科學(xué)家雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)更是在斯德哥爾摩諾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)后，家也沒回，就直接帶著諾獎(jiǎng)獎(jiǎng)牌和行李來到中國(guó)。

日前在北京，未來論壇舉辦的“理解未來”講座上，兩名平均年齡超過80歲的科學(xué)大咖，講述了他們?nèi)松?0年與引力波不得不說的故事，以及對(duì)時(shí)空穿越、宇宙緣起的看法。

文、圖/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者王丹陽

“1604年，中國(guó)宋朝，那顆超新星爆發(fā)照亮了天空，沒人明白為什么所有中國(guó)人看到了，歐洲人卻沒看到。也許他們沒看，也許都喝醉了，誰知道吶。”

德裔2017諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主雷納·韋斯戴著圓形漸變花紋眼鏡，純白頭發(fā)，禿頂，不時(shí)冷幽默地從引力波雙中子星合并產(chǎn)生金子，補(bǔ)充超新星爆發(fā)可以產(chǎn)生重元素的科普故事。

優(yōu)化探測(cè)器敏感度

85歲諾獎(jiǎng)得主爬進(jìn)真空管

85歲的雷納穿著米麻色oversize西裝外套，淺藍(lán)襯衫，黑長(zhǎng)西褲、棕皮鞋、藍(lán)白色的襪子。這身穿著與他在諾獎(jiǎng)官網(wǎng)上照片一模一樣，連手表都是同一塊。他就像從諾獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)，時(shí)空穿越而來。

12月19日傍晚，北京師范大學(xué)，來聽講座的人提早2小時(shí)就在寒風(fēng)中排起長(zhǎng)隊(duì)，但只有幸運(yùn)的100多人能進(jìn)到現(xiàn)場(chǎng)。

令進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的觀眾敬佩的是，這位85歲的科學(xué)家，為了解決一些實(shí)際問題，現(xiàn)在還會(huì)親自爬到引力波探測(cè)系統(tǒng)LIGO(全稱為“激光干涉引力波天文臺(tái)”)的管子里。

LIGO系統(tǒng)由兩個(gè)相距1865英里，且完全相同的探測(cè)器組成。每個(gè)探測(cè)器包含由兩個(gè)長(zhǎng)度為4公里的真空管，布置成L形，科學(xué)家們通過真空管來發(fā)射激光束。每束激光到達(dá)真空管末端后，會(huì)被鏡面反射，并沿相反路線返回。

根據(jù)公式計(jì)算，如果被探測(cè)的引力波的波長(zhǎng)是4公里，那么用激光測(cè)量所有波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)則是在4×10的負(fù)18次方的長(zhǎng)度。

雷納·韋斯爬進(jìn)長(zhǎng)達(dá)4公里的真空管，正是要優(yōu)化儀器敏感度。“這要比測(cè)量用的光波的波長(zhǎng)要小得多，非常有挑戰(zhàn)。”他說。

用40年證明

牛頓錯(cuò)了愛因斯坦對(duì)了

引力波從何而來?雷納·韋斯為何會(huì)想出設(shè)置LIGO裝置?

你我熟知的一個(gè)民間故事：牛頓坐在一棵樹底下，被蘋果砸了，由此有了靈感，發(fā)現(xiàn)了萬有引力。

在330年前，科學(xué)家牛頓提出了著名的“萬有引力定律”，直到今年學(xué)校里都在學(xué)習(xí)這個(gè)物理史上的著名理論。牛頓認(rèn)為，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間存在萬有引力，而且物體之間引力的傳遞不需要時(shí)間。這就是為什么地球圍繞太陽轉(zhuǎn)，為什么樹上的蘋果會(huì)落地。

但在100年前的愛因斯坦看來，牛頓錯(cuò)了，錯(cuò)在兩點(diǎn)。第一是在高速運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量天體周圍牛頓引力是不足夠的，比如著名的水星進(jìn)動(dòng)問題;第二是牛頓引力里面引力不是以有限速度傳播的，像其他信息一樣，在1905年的狹義相對(duì)論中所提到的，引力的傳播速度是不能超過光速。

1916年，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，并預(yù)測(cè)了引力波的存在。由于無法實(shí)驗(yàn)證實(shí)，愛因斯坦自己對(duì)引力波也并不一直堅(jiān)信。愛因斯坦曾看著他的引力公式說道：“所要研究的數(shù)字和維度都太小了，小到不會(huì)對(duì)任何事物造成影響，也沒有人能夠測(cè)量。”

1967年，當(dāng)時(shí)的麻省理工物理學(xué)主任雷納要設(shè)計(jì)一門有關(guān)廣義相對(duì)論的課程，他想到了用100年前沒有的激光來證實(shí)愛因斯坦的預(yù)測(cè)。

而這一切，直到2015年人類首次發(fā)現(xiàn)引力波，整整花了40年。

雷納風(fēng)趣地說，雖然他堅(jiān)信自己會(huì)成功，但愛因斯坦在投稿預(yù)測(cè)引力波后，也曾一度反復(fù)。

當(dāng)時(shí)，愛因斯坦投稿的第一家雜志社匿名評(píng)審認(rèn)為該論文需要修改，不宜發(fā)表。因此，愛因斯坦就另投了一家雜志。但論文發(fā)表后，愛因斯坦也曾一度悲觀，想撤下自己的論文，并宣稱引力波并不存在。幸虧當(dāng)時(shí)有一名普林斯頓大學(xué)的副教授，聽說此事后，找到愛因斯坦，提出了論文的修改方式，才使得愛因斯坦的引力波最終保留。

有意思的是，雷納說，幾十年后，匿名科學(xué)論文評(píng)審名單解密，那名勸說愛因斯坦保留引力波論文的大學(xué)副教授，正是他第一次投稿不主張發(fā)表引力波的匿名評(píng)審。

理論物理學(xué)“大神”

他是與霍金對(duì)賭的“背景帝”

相比雷納·韋斯是LIGO實(shí)驗(yàn)設(shè)置的負(fù)責(zé)人，另一名2017諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主基普·索恩則是理論物理學(xué)家。計(jì)算引力波的4×10的負(fù)18次方的長(zhǎng)度，正是基普年輕時(shí)推算出公式的一部分。

戴著飛行員形的近視眼鏡、光頭，花白胡子的基普說，自己標(biāo)志性的黃白胡子是老后才留的。在早年照片中，他是一個(gè)不戴眼鏡，穿機(jī)車皮衣的嬉皮青年。

1962年到1965年，基普在普林斯頓大學(xué)讀博士，他的導(dǎo)師是“黑洞”名詞的發(fā)明者Bob Dicke。雷納當(dāng)時(shí)則是Bob的博士后。

直到1972年的時(shí)候，雷納推出了一個(gè)怎么去探測(cè)引力波的提案，當(dāng)時(shí)發(fā)表在一份麻省理工學(xué)院內(nèi)部的學(xué)術(shù)期刊，并沒有對(duì)外發(fā)表。

基普回憶，雷納的提議非常吸引人，他想剝除所有的噪音，把注意力都關(guān)注到引力波的探測(cè)上來。甚至論文還描述了探測(cè)器的精度、敏感性有多高，才能夠探測(cè)到引力波。

基普的博士論文就是從雷納的文章里面找到了靈感，但他寫的并不是引力波。“我個(gè)人其實(shí)還是比較保守的，我不想要想法太瘋狂。”

隨后，基普開始了幾十年的引力波的理論研究。與他一起共事過的北京師范大學(xué)天文系副教授張帆說，基普對(duì)科學(xué)追求非常有恒心，他經(jīng)常在半夜或凌晨發(fā)出郵件。

在中國(guó)，在獲得諾獎(jiǎng)前，基普出現(xiàn)在大眾面前是因?yàn)榕c好友霍金的“對(duì)賭”照片中的“背景帝”。作為一生摯友和同行，基普曾與霍金打賭，是否有黑洞存在等多個(gè)物理問題。

結(jié)果，這場(chǎng)比賽，基普贏了。至今，他的辦公室外還掛著與霍金的“對(duì)賭”契約。

時(shí)空穿越不大可能

《星際穿越》里的引力波

但在時(shí)間旅行上的研究，基普與霍金卻出奇地一致。

幾年前，基普的生日派對(duì)上，曾有人說一個(gè)證實(shí)沒有時(shí)間旅行的有力證據(jù)是未來的基普沒有穿越回來給自己祝壽。

基普說，他在現(xiàn)有理論下進(jìn)行了大量計(jì)算得到的猜測(cè)，結(jié)論是時(shí)間穿越被允許的概率很小，但不能確定。

時(shí)光旅行是一個(gè)物理過程，是彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)論計(jì)算。不論如何制造時(shí)光機(jī)器，制造者都會(huì)在那個(gè)機(jī)器開啟的一瞬間摧毀它。

在現(xiàn)有理論下，當(dāng)機(jī)器開啟后，第一個(gè)穿越回到過去的是光或真空的量子起伏，它穿越回去以后再來一圈就變成四倍都集中在同時(shí)同地，虛擬粒子密度不斷增高，并轉(zhuǎn)化成真正的輻射粒子爆炸。爆炸很強(qiáng)，又集中在一個(gè)很小時(shí)間區(qū)間，現(xiàn)有的物理理論已經(jīng)不適用，必須轉(zhuǎn)而應(yīng)用量子引力的定律，但我們現(xiàn)在還不理解這些定律是什么。

基普介紹，霍金則是獨(dú)立于他也在研究這個(gè)問題，他們翻來覆去爭(zhēng)論這個(gè)問題爭(zhēng)論了一兩年。最后，兩個(gè)人都同意，可能與否取決于量子引力，爆炸強(qiáng)度是有可能在量子引力變得重要之前毀掉時(shí)光機(jī)的。

所以，有關(guān)時(shí)光機(jī)器的結(jié)論是，在量子引力被搞清楚前，人類無法知道問題的答案，量子引力也主導(dǎo)宇宙的出生和黑洞的內(nèi)部。

基普幽默地說，霍金是科學(xué)界最聰明的人，比他有深度，但他自己算是“比較優(yōu)秀的人，好歹我還能跟得上他的思路。”

在演講中，基普·索恩也講了兩部科幻電影里的引力波。但同是諾獎(jiǎng)得主的雷納表示這兩部電影他都不太理解。

一部是《盜夢(mèng)空間》里的世界，“場(chǎng)景很難理解，但如果你看了5到10遍電影，你會(huì)發(fā)現(xiàn)影片里其他地方的對(duì)話會(huì)講了你想要了解的東西。”基普說。

另一部則是《星際穿越》里的第五維世界，當(dāng)庫珀和安妮·海瑟薇飾演的布蘭德在水星球上游騎兵號(hào)飛船上的時(shí)候，剛剛有一個(gè)大浪過去了，他們正在等下一個(gè)大浪時(shí)，有一個(gè)冷靜的對(duì)話。布蘭德猜測(cè)了第五維中會(huì)發(fā)生什么事，她說了五維空間是唯一信號(hào)可以回到過去的地方。這就是引力波的應(yīng)用。

至于宇宙的起源，基普預(yù)測(cè)，至少在2050年左右，可以探測(cè)到原始引力波，到時(shí)候，便能揭秘宇宙的起源。