诺奖得主基普·索恩:第一次看到引力波信号时,以为被忽悠了

《环球科学》杂志

2017-11-06 20:12

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基普·索恩 资料图
美国激光干涉引力波天文台(LIGO)于2015年9月探测到引力波和黑洞。这并不是一个偶然现象:引力波作为一种和其他物质相互作用非常微弱的信号很难探测到,而此次实验之所以能够取得成功,主要得益于对两个黑洞碰撞所做的研究:十亿多年前,有两个黑洞在碰撞时以引力波的形式发射出相当于三倍太阳质量的能量。迄今为止,LIGO已经确认了5个引力波信号,其中包括人类首次探测到的中子星合并事件。基普·索恩作为世界广义相对论领域的杰出科学家,见证了引力波和黑洞研究领域的突破性发现。
问:五六十年代关于黑洞的研究整体情况如何?您是如何参与其中的?
基普·索恩:六十年代初期我在普林斯顿大学求学,当时我希望能够专业从事时空曲率领域研究。于是我决定和约翰·惠勒[4]合作。惠勒是史瓦西的奇点理论领域的领导人,黑洞的两个性质以他为名[5]。在那一时期惠勒是少数支持黑洞存在理论的科学家之一,但证实黑洞存在的过程却耗费了十年之久,但最终研究取得成功。这主要归功于他和图里奥·雷吉[6]关于黑洞稳定性的研究:如果激发黑洞,他们会爆炸、消失还是保持原样?雷吉做了所有必要的数据计算工作,并和惠勒联合发表了一篇论文,在论文中他们完整地诠释了研究成果。在论文发表六年后,我有幸拜读了这篇文章。于我而言,这是我在学生生涯期间读到的最重要的作品。
问:您为什么会对引力波产生兴趣?又是如何参与美国激光干涉引力波天文台(LIGO)建设工作中的?
基普·索恩:
六十年代初期我报名参加了法国里雾诗的一个暑期学校项目。当时约瑟夫·韦伯在那里任教,我立刻爱上了他的那门课。那时韦伯教授对引力波的研究实验仍在初期阶段。我们曾多次一同前往阿尔卑斯山远足,在此期间我经常和他长谈,这也更一步加深了我对引力波研究的兴趣。几年后,我作为青年教授赴加州理工学院任教。刚一就任我就立刻着手汇总一系列关于黑洞、中子星和引力波理论的研究成果。此外,在普林斯顿求学期间我结识了雷纳·韦斯,他作为博士后参与罗伯特·H·迪克研究组项目。那时恰好我也专注于实验重要参数研究,所以当时我和韦斯还有他的同事们就引力波这个话题进行过多次讨论。
韦斯于1972年发表文章阐述了目前美国激光干涉引力波天文台(LIGO)使用的探测器种类,并在预估探测器尺寸时也考虑到了所有可能影响探测的噪音源。韦斯的结论是,相对较大的探测器更有可能探测到我和其他理论家所预估的引力波。起初我对此持保留态度,但和他探讨后我确信这项理论切实可信。于是我们邀请了来自瑞典的罗纳德·德雷弗[7]访问加州理工学院,让他作为领导人带领一个研究团队,并和韦斯以及麻省理工学院合作创建美国激光干涉引力波天文台(LIGO)。那是1966年,当时我就已经决定竭尽全力让这项创举取得成功。我最后确实这样做了。
问:2015年大家终于等来了期待已久的结果。您在听到探测到引力波的消息时感受如何?
基普·索恩:
那时我并没有每天都关注美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的研究进展。我只是部分参与了两个黑洞碰撞的假说实验。一天早上起床后我收到了一封来自克里斯蒂安·哈特尔的邮件。哈特尔是我的一位年轻的同事,他在邮件里写道“看看这里,也许我们收到了信号!”他发给我的是电脑自动生成且未经物理学家处理的页面。那个信号非常强,我几乎不敢相信那是一个天然信号。我甚至怀疑那个信号是为了检测系统而人为生成的,因为在美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的两个研究所里人们可以使用静电来前后移动镜面来模仿引力波活动。
而哈尔特告诉我那不可能,因为当时官方研究还没有正式启动。于是我开始相信那个信号确实是真实存在的。但是跟我的年轻同事不同,我的第一反应并不是激动,相反我却感到深深的慰藉--因为面对公众舆论,我们终于可以给巨大的经济投资做出合理解释。此外,因为我为这个实验项目投入巨大精力,在经历了一系列实验优化处理后现在终于取得了突破性的进展,我非常有成就感。这样的结果是我从1980年以来就十分期待的。
问:从理论家的角度来看,您对引力波研究的展望和希冀有哪些?
基普·索恩:
在接下来的三十年内关于宇宙起源的研究将变得切实可行。而这一设想的实现并不取决于美国激光干涉引力波天文台(LIGO)或者欧洲引力波天文台(Virgo),而是取决于其他频率波段的引力波探测器。我认为就像天文光谱学领域所取得的成就一样,在接下来的十五到二十年内科学家们一定也会探测出四种不同的引力波。毕竟天文光谱学科在短短几十年的时间里就探测到可见光波段、射频、红外线和X射线。引力波领域的成就将很快到来,而且会以一种十分震撼人心的方式到来!
未来我们可以观察宇宙以及四种基本力[8]的形成过程。举例来说,根据估测,人们认为电磁力产生于宇宙形成十亿分之一秒后。作为宇宙形成时释放的四种基本力的衍生品,引力波可以让我们更确信自己关于宇宙形成的推断。我们还可以从引力波的角度出发做其他研究,比如黑洞碰撞和黑洞摧毁恒星研究等等。
问:您还通过多种途径推广科学传播,尤其要提出的是,您曾和克里斯托弗·诺兰[9]合作完成了电影《星际穿越》的摄制工作。您觉得科学传播者是不是一个举足轻重的角色?
基普·索恩:
首先,与公众互动是科学家的道德义务。但作为研究者,我们在传播科学的同时也是一个自我提升的过程。在参与电影制作的过程中,我们努力将理论层面上的方程式和模拟实验变得生动真实,希望通过视觉特效更直观地传播科学。我们试图用视觉特效来展现电影里名叫“卡冈都亚”的黑洞,这一过程可以帮助我们更好地理解研究对象和科研成果。
[1] 基普·索恩(1940-):美国理论物理学家,2017年10月3日,因在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献,荣获诺贝尔物理学奖。
[2] 雷纳·韦斯(1932-):麻省理工学院(MIT)物理学家,1966年便设想出一种探测引力波的方法,2015年9月1000名利用美国激光干涉引力波天文台(LIGO)开展研究的物理学家在两个巨大黑洞位于距地球10亿光年的地方相互围绕着旋转时,探测到其辐射出的脉冲波。2017年10月3日,获得2017年度诺贝尔物理学奖。
[3] 巴里·巴里什(1936-):美国加州理工学院物理系林德教授。巴里什教授于1997年至2006年担任 LIGO 项目主管,领导了LIGO建设及初期运行,建立了LIGO国际科学合作,把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学,最终使引力波探测成为可能。
[4] 约翰·惠勒(1911—2008):美国物理学家、物理学思想家和物理学教育家。
[5] 两个命名分别是:史瓦西度规与史瓦西半径。
[6] 图里奥·雷吉(1931-2014):意大利理论物理学家。
[7] 罗纳德·德雷弗(1932-2017):格拉斯哥大学博士,激光干涉引力波天文台(LIGO)创始人之一,英国物理学家。
[8] 4种基本力:自然界的四种基本力是指万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。可以通过场统一。
[9] 克里斯托弗·诺兰(1970-):英国导演、编剧、摄影师及制片人。
(原题为《专访诺奖得主基普·索恩:第一次看到引力波信号时,我以为被“忽悠”了》)
责任编辑:崔烜澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 引力波 基普·索恩

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