诺奖得主韦斯高度评价阿里引力波项目:全世界都该知道这件事

澎湃新闻记者 虞涵棋

2018-01-03 21:56 来源:澎湃新闻

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2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩提前15分钟来到了北京师范大学曾宪梓楼的一间教室,他穿着深蓝色的西服外套,白色的高领毛衣略显臃肿,坐在沙发上开始看起采访提纲,并从衣袋里掏出一支笔来圈圈点点。
基普·索恩在看采访提纲 澎湃新闻记者 虞涵棋 图

2017年12月中旬,从瑞典领完金质奖章后,激光干涉引力波天文台(LIGO)的三位核心领导者开启了忙碌的“中国时间”,在京沪两地连续进行数场讲座。北京师范大学是LIGO联合创始人基普·索恩和雷纳·韦斯的最后一站。另一位元老巴里·巴里什则在前一天返回美国。
《星际穿越》顾问,两次赌赢霍金
索恩无疑是加州理工学院的明星物理学家之一。他活跃在公众视野里,曾发表关于黑洞、引力波、相对论、相对论、时间旅行以及虫洞的公开演讲,提出了“虫洞可以作为时间旅行的工具”这样震惊世界的理论。
他的“脑洞”也开到了影视界,和前女友琳达·奥布斯特一起完成了《星际穿越》剧本的雏形,并担任电影的科学顾问。
物理学家的江湖里流传着索恩两次赌赢霍金的传说。第一次是霍金不相信人类最早发现的黑洞天鹅座X-1是黑洞,与索恩打赌输掉后,为索恩订阅了4年的色情杂志《阁楼》。后来,在黑洞的裸奇点是否存在的问题上,霍金再次输给索恩,给他和另一名参与者一人买了一件T恤,上书:“大自然不喜欢裸!”
索恩和霍金关于黑洞裸奇点的赌约

索恩位于加州理工的办公室门口贴满了类似的科学赌约,显得甚是嚣张。
澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者见到的索恩本人,光头蓄着浓须,厚厚的眼镜片将眼睛折射成漫画一般夸张的大小,似乎也吻合“科学怪人”的形象。然而,索恩一开口,澎湃新闻记者就发现全然不是这么回事。
索恩的语速较为缓慢,吐字清晰,回答问题时沉稳而务实,只在偶尔的几个瞬间抖出黑幽默的短句子,脸上神色保持着绝对的平静,令人猜不透是不是“腹黑”。
通向物理之路:索恩“直接”,韦斯“曲折”
当被问及为何走上物理这条道路,索恩讲述了一个十分“直接”的故事。他出生在美国犹他州高山上的一座小城,冬天时积雪有数米之厚。“我小时候想当然地觉得,开铲雪车的人是全世界最厉害的。后来8岁那年,我母亲带我听了一场关于太阳系的讲座,我就立马忘了铲雪车,立志要当天文学家。”
索恩开始凭着兴趣在大学图书馆找天文学相关的书,13岁那年,他读到苏联科学家乔治·伽莫夫的《从一到无穷大》,爱上了数学和物理学。
“一年后,我看一本杂志上说,加州理工学院的学生在考试的时候哪怕随便写下一个错误的答案,只要能自圆其说,也可以拿到高分。我心想,这就是我想去的大学。”这话引得在场的记者们发笑,索恩的脸上仍满是一本正经。
索恩总结道,他成为物理学家的道路非常直接,比绝大多数的同事都要直接。
“可能因为我的父亲是个教授,母亲是个博士吧。”索恩淡定地补充了一句,又引发一阵笑声。
2017年诺贝尔物理学奖得主巴里什、索恩和韦斯官方合照,澎湃新闻记者见到韦斯时,他穿着同一件草灰色外套

索恩谈起母亲时流露出怀念,她受当时的规定限制无法在大学任教,但对索恩起到了重要的启蒙作用。小时候,她在房子的外墙上画了一个直径1米的太阳,并帮助索恩计算各个行星的位置和大小。
索恩对有志投身科学的青少年分享了一段有价值的个人经历:“读高中的时候,我是最聪明的那个,到了加州理工,我很快发现我不再是最聪明的那个了,事实上算挺笨的,脑子不如同学们转得快。我挣扎了一年半才接受这个事实,决定要开发出自己的学习方式,用有限的智商更深入地学习。事实证明,这样的脑子也是能成功的。”
带着黑框眼镜、身穿草灰色西装外套的雷纳·韦斯稍晚一些来到,索恩赶忙起身迎接。这两位著名物理学家,一位85岁,一位77岁,非常热情地拥抱着问候,仿佛有许多话要寒暄。而事实上,他们前两天才在复旦大学一起参加了中植科学奖的颁奖典礼。
不同于索恩的“直接”,韦斯分享了他走向物理学的“曲折”道路,带着不少花边。
从“街头电子学”开始
韦斯出生在德国柏林,父亲是一名犹太心理学家,二战时举家迁往美国纽约。比起索恩母亲的循循善诱,韦斯的父母在他的成长过程中几乎是缺位的。少年韦斯游荡在曼哈顿上西区街头,行迹如同“混混”。
但韦斯依然误打误撞与科学结缘,他迷上了“街头电子学”:二战过后,纽约街头有大量废弃的电子器件,韦斯热衷于收集这些废品,组装并改良收音机,成品广受父母亲友好评。
韦斯的“街头电子学”后来遭遇了瓶颈,他想过滤掉一种特定的噪音,却发现高中的知识实在不够用。他并不想以此为生,只是执着于组装出更好的收音机,为此,他决定去麻省理工学院(MIT)。
韦斯在MIT依然不是个好学生。他对听电气工程的课程没兴趣,只想找一个最基础、要求最少的专业,于是换到物理专业。
在波士顿附近的楠塔基特岛上,韦斯邂逅了一名弹钢琴的西北大学女生,深陷爱河。两人开始书信来往,直到有一天西北大学那边不再来信。
韦斯失恋了,他辍学追到西北大学想要挽回感情,但却无功而返。他试图参加MIT的期末考试时,才得知自己已被退学。
青年韦斯

韦斯的人生陷入低谷。幸而,他遇到了贵人杰罗尔德·扎卡里亚斯(Jerrold Zacharias)。扎卡里亚斯是MIT著名的核物理学家,韦斯在他的研究团队谋得了一个技术岗位,参与制造了世界上第一台实用性原子钟。这台原子钟后来成为了世界标准。在扎卡里亚斯的指导下,韦斯重返校园,并获得了博士学位。
而引力波也由此在韦斯的生命中埋下了伏笔。
引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。时间和空间会在质量面前扭曲,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。
换句话说,任何“钟”都会受到引力的影响。
韦斯在不断探索更精确的原子钟的过程中,逐渐与引力波越走越近。韦斯在教授一堂广义相对论本科课程时将设计探测引力波布置为了课堂练习。1972年春天,韦斯设计出了LIGO的雏形。
LIGO的基本思路是这样的:两条长度相同的探测臂呈L型放置,在L中间的拐点处放置激光源,沿两条真空管子各发射一束激光,而在两臂的末端放置一面镜子来反射激光。在真空中,两条同时发射的光束应该同时返回中间拐点相逢,在干涉作用下,光束不会抵达光电探测器。但如果有引力波穿过探测仪,两条真空管中的空间会出现微小的拉伸与压缩,两条光束就会出现光程差,从而外泄到光电探测器上。
LIGO位于华盛顿州Hanford的观测台

为了优化探测灵敏度,韦斯会亲自爬进真空管子捣鼓——这一刻,恍如沉迷“街头电子学”的移民少年再现。
韦斯保持着热情而快活的语调总结了他的科学生涯:“我从来没把学位当回事,也不觉得成功很重要,我只想做感兴趣的事。”
对此,索恩完全认同:“如果不做喜欢的事,这辈子都会很可悲。”
2017年关键词:“可怕”
生动讲述了人生际遇“一波三折”的韦斯,回答问题时也热情高涨,语速较快,在谈及个别话题时颇有滔滔不绝之势。一边的索恩,倒更像个“捧哏”。
比如谈起LIGO探测到爱因斯坦百年前预言的引力波,完成广义相对论的最后一块拼图,韦斯的述说感情丰沛:“LIGO探测到引力波当然是个胜利,而百年前的理论与自然的真实情况相差无几,这是爱因斯坦的胜利。”
索恩则平静的回答:“最有趣的不是直接证明了爱因斯坦的广义相对论,而是如何使用引力波探索宇宙。我不会把人生花在验证爱因斯坦上面。”
再谈起LIGO的未来计划,韦斯描绘了一长段美好的科学远景:“我们看到了许多新的黑洞和前所未见的双子星并合现象,黑洞是怎么形成的?这本身就是个足够有趣的问题。双子星并合会产生伽玛射线和重元素,科学家们设想过,但以前证据没有这么强力。我们也很期待深度探索超新星的内部。这就是大家说的多信使天文学时代,这是科学的分水岭。我认为未来非常非常光明。我们会看到很多前所未见的现象,也会对已知的现象有更深入的了解。”
双黑洞合并过程中持续产生引力波

索恩平静地接话道:“为了实现他说的这些,LIGO在2018年的关键是保持研发投入,持续技术上的升级。”
当然,引力波这一场科学盛宴,并不能冲淡现实中科学面临的一些困境。
当被要求用一个关键词概括2017年,索恩脱口而出:“可怕。”他顿了顿,续道:“我不是在说科学,我在说那个人。”
现场的记者们心领神会。
韦斯一开始并没有听懂问题,在索恩稍作解释后,他正色道:“美国正在经历一场危机,不仅仅是特朗普,整个政党都堕落了,大家觉得科学不重要了,这对全世界而言都是危机。”
两位LIGO创始人还对引力波引发的一些过热概念进行了“辟谣”。比如,在《星际穿越》中,引力波可以在五维空间中传递信息。引力波通信真的可行吗?
“引力波通信?我想一百年内不会,可能几百年内都不会吧。我能想到的引力波惟一的通信价值,大概就是引力波很有穿透力。中微子是一种能穿透地球的信号,如果你想要更有穿透力的信号,那就是引力波了吧。除此之外,我想象不到为什么要用引力波通信。其他的波更容易发射和接受。”《星际穿越》的科学顾问说道。“产生引力波信号很难,我想几十年内,人类都无法发射出可以探测到的引力波信号。”
韦斯同样表示:“我完全同意基普的话。引力波通信当然是可能的,但也是废话。我知道现在有人在讲这些废话,别听他们!美国有些军事上、政治上的妄想狂对引力波通信有兴趣,别理他们就是了。”
全世界都应该知道中国在做这件事
索恩和韦斯在2018年必然会继续忙碌。LIGO计划到2020年将测量精度提高20倍,届时,可能人类每周都能听到黑洞碰撞的消息。
意大利的处女座引力波观测台VIRGO在8月份加入引力波观测团队,美欧三座观测台并肩作战,能对引力波来源进行更精确的定位。
更多的力量还在筹备中。索恩和韦斯预计,在15年内,人类会有4个引力波窗口:
LIGO和VIRGO能听到持续几毫秒的引力波;
欧洲空间局的LISA计划在2030年将3颗卫星发射升空,组成边长500公里的等边三角形,等于是一个放大版的空中LIGO。它们能听到持续数分钟甚至数小时的引力波;
“脉冲星计时阵列”(PTA)通过射电天文望远镜,能探测持续数年的引力波;
宇宙微波背景(CMB)则有望带我们探索宇宙大爆炸后的原初引力波。
宇宙微波背景辐射(CMB)是一群古老的光子。宇宙在极早期曾经充斥着各种基本粒子而处于混沌的等离子体状态,直到大爆炸大约38万年后,质子和电子结合成稳定的中性氢原子,宇宙才变得通透起来并可以让当时的光子自由穿行。这群光子,在穿行约137亿年后到达地球,就像是一张137亿年前的宇宙照片。
而宇宙暴胀理论认为,在大爆炸发生后的极短一瞬间,宇宙经历了一场快速膨胀,时空产生了剧烈扰动。这“暴胀”过程中产生的原初引力波就会在宇宙微波背景辐射中留下可探测的印迹,即B模式偏振。
2014年,在南极极点的美国BICEP团队一度宣称发现了原初引力波,结果发现是银河系中星际尘埃造成的“乌龙”。
宇宙微波背景也是韦斯长期研究的领域之一,他肯定了南极团队的努力:“在技术上,他们将探测精度提高了1000倍。他们当初探测错误的一个原因是只有一个观测频道,现在他们意识到了这一点,在多个观测站进行实验、观测。南极和智利都有。”
澎湃新闻记者忍不住补充:“西藏也有!”
韦斯笑着回应道:“没错,西藏也做了一个实验,完成得很漂亮。中国的团队和国际上的科学家一起合作完成,在一个不同的地点和高度进行探测,能够覆盖更广阔的天区,这非常重要、非常有用。”
西藏阿里天文台正在建设原初引力波探测项目

韦斯显得对中国西藏的阿里原初引力波探测计划十分感兴趣,在采访时间到点后,他站起来问道:“刚才是哪位提到了西藏那个项目?”
随后,他走向澎湃新闻记者,热情而诚恳地赞扬道:“这会成为中国科学的典范,一个非常漂亮的典范。中国利用西藏这样一个独特的地理条件,建造一台国际共享的设备。全世界都应该知道中国在做这样的事。”
他顿了顿,开始用手势加强语调和感情:“这台望远镜不是最大的,却可能是最重要的。我知道中国最近建成了FAST(500米口径球面射电望远镜,被称为‘中国天眼’),很有意义的工程,但远不如阿里项目重要。我想对中国说一句很要紧的话:科学不是靠自己就能完成的。”
了解LIGO团队历史的读者可能会知道,LIGO项目三十多年的历程,前期主要耗费在了个人意见分歧和经费申请上,甚至一度瘫痪,而“合作”是LIGO得以起死回生的根本。汇集国际上2000多名科学家与工程师的“LIGO科学合作组织”,为LIGO的成功奠定了基石。
或许正因如此,见过太多纷争的韦斯对中国团队与南极BICEP团队合作探测原初引力波感到莫大的喜悦,却对中国的空间引力波项目感到疑虑:
“我不确定这是不是个好主意。更明智的方案是合作参与欧洲的空间引力波项目LISA。我担心的是什么呢?国际上已经有很多科学家在为LISA努力了,欧空局最近完成了原型卫星的建造和试飞,项目通过了可行性调研,那中国科学家应该想办法参与进去。”
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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