2017諾獎物理獎得主: 發現引力波 一場40年的“打賭”

2017諾獎物理獎兩位得主講述：

發現引力波

一場四十年的“打賭”

從去年開始位居《科學》《自然》雜志年度十大科學發現榜首，到今年諾獎物理獎獲獎領域，被稱為“時空漣漪”的引力波由于證實了愛因斯坦百年前的預測，拓展了人類的科學知識邊界，成為當之無愧的“科學網紅”。

2017年諾獎物理學獎兩名得主，在引力波領域的“大神級”科學家雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)更是在斯德哥爾摩諾獎頒獎后，家也沒回，就直接帶著諾獎獎牌和行李來到中國。

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歲的科學大咖，講述了他們人生40年與引力波不得不說的故事，以及對時空穿越、宇宙緣起的看法。

文、圖/廣州日報全媒體記者王丹陽

“1604年，中國宋朝，那顆超新星爆發照亮了天空，沒人明白為什么所有中國人看到了，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諾獎物理學獎得主雷納·韋斯戴著圓形漸變花紋眼鏡，純白頭發，禿頂，不時冷幽默地從引力波雙中子星合并產生金子，補充超新星爆發可以產生重元素的科普故事。

優化探測器敏感度

85歲諾獎得主爬進真空管

85歲的雷納穿著米麻色oversize西裝外套，淺藍襯衫，黑長西褲、棕皮鞋、藍白色的襪子。這身穿著與他在諾獎官網上照片一模一樣，連手表都是同一塊。他就像從諾獎現場，時空穿越而來。

12月19日傍晚，北京師范大學，來聽講座的人提早2小時就在寒風中排起長隊，但只有幸運的100多人能進到現場。

令進入現場的觀眾敬佩的是，這位85歲的科學家，為了解決一些實際問題，現在還會親自爬到引力波探測系統LIGO(全稱為“激光干涉引力波天文臺”)的管子里。

LIGO系統由兩個相距1865英里，且完全相同的探測器組成。每個探測器包含由兩個長度為4公里的真空管，布置成L形，科學家們通過真空管來發射激光束。每束激光到達真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。

根據公式計算，如果被探測的引力波的波長是4公里，那么用激光測量所有波長的數據則是在4×10的負18次方的長度。

雷納·韋斯爬進長達4公里的真空管，正是要優化儀器敏感度。“這要比測量用的光波的波長要小得多，非常有挑戰。”他說。

用40年證明

牛頓錯了愛因斯坦對了

引力波從何而來？雷納·韋斯為何會想出設置LIGO裝置？

你我熟知的一個民間故事：牛頓坐在一棵樹底下，被蘋果砸了，由此有了靈感，發現了萬有引力。

在330年前，科學家牛頓提出了著名的“萬有引力定律”，直到今年學校里都在學習這個物理史上的著名理論。牛頓認為，任何兩個有質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間。這就是為什么地球圍繞太陽轉，為什么樹上的蘋果會落地。

但在100年前的愛因斯坦看來，牛頓錯了，錯在兩點。第一是在高速運動的大質量天體周圍牛頓引力是不足夠的，比如著名的水星進動問題；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論，并預測了引力波的存在。由于無法實驗證實，愛因斯坦自己對引力波也并不一直堅信。愛因斯坦曾看著他的引力公式說道：“所要研究的數字和維度都太小了，小到不會對任何事物造成影響，也沒有人能夠測量。”

1967年，當時的麻省理工物理學主任雷納要設計一門有關廣義相對論的課程，他想到了用100年前沒有的激光來證實愛因斯坦的預測。

而這一切，直到2015年人類首次發現引力波，整整花了40年。

雷納風趣地說，雖然他堅信自己會成功，但愛因斯坦在投稿預測引力波后，也曾一度反復。

當時，愛因斯坦投稿的第一家雜志社匿名評審認為該論文需要修改，不宜發表。因此，愛因斯坦就另投了一家雜志。但論文發表后，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。幸虧當時有一名普林斯頓大學的副教授，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，匿名科學論文評審名單解密，那名勸說愛因斯坦保留引力波論文的大學副教授，正是他第一次投稿不主張發表引力波的匿名評審。

理論物理學“大神”

他是與霍金對賭的“背景帝”

相比雷納·韋斯是LIGO實驗設置的負責人，另一名2017諾獎物理學獎得主基普·索恩則是理論物理學家。計算引力波的4×10的負18次方的長度，正是基普年輕時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，自己標志性的黃白胡子是老后才留的。在早年照片中，他是一個不戴眼鏡，穿機車皮衣的嬉皮青年。

1962年到1965年，基普在普林斯頓大學讀博士，他的導師是“黑洞”名詞的發明者Bob Dicke。雷納當時則是Bob的博士后。

直到1972年的時候，雷納推出了一個怎么去探測引力波的提案，當時發表在一份麻省理工學院內部的學術期刊，并沒有對外發表。

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

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。“我個人其實還是比較保守的，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天文系副教授張帆說，基普對科學追求非常有恒心，他經常在半夜或凌晨發出郵件。

在中國，在獲得諾獎前，基普出現在大眾面前是因為與好友霍金的“對賭”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物理問題。

結果，這場比賽，基普贏了。至今，他的辦公室外還掛著與霍金的“對賭”契約。

時空穿越不大可能

《星際穿越》里的引力波

但在時間旅行上的研究，基普與霍金卻出奇地一致。

幾年前，基普的生日派對上，曾有人說一個證實沒有時間旅行的有力證據是未來的基普沒有穿越回來給自己祝壽。

基普說，他在現有理論下進行了大量計算得到的猜測，結論是時間穿越被允許的概率很小，但不能確定。

時光旅行是一個物理過程，是彎曲時空中的量子場論計算。不論如何制造時光機器，制造者都會在那個機器開啟的一瞬間摧毀它。

在現有理論下，當機器開啟后，第一個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同地，虛擬粒子密度不斷增高，并轉化成真正的輻射粒子爆炸。爆炸很強，又集中在一個很小時間區間，現有的物理理論已經不適用，必須轉而應用量子引力的定律，但我們現在還不理解這些定律是什么。

基普介紹，霍金則是獨立于他也在研究這個問題，他們翻來覆去爭論這個問題爭論了一兩年。最后，兩個人都同意，可能與否取決于量子引力，爆炸強度是有可能在量子引力變得重要之前毀掉時光機的。

所以，有關時光機器的結論是，在量子引力被搞清楚前，人類無法知道問題的答案，量子引力也主導宇宙的出生和黑洞的內部。

基普幽默地說，霍金是科學界最聰明的人，比他有深度，但他自己算是“比較優秀的人，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。但同是諾獎得主的雷納表示這兩部電影他都不太理解。

一部是《盜夢空間》里的世界，“場景很難理解，但如果你看了5到10遍電影，你會發現影片里其他地方的對話會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，當庫珀和安妮·海瑟薇飾演的布蘭德在水星球上游騎兵號飛船上的時候，剛剛有一個大浪過去了，他們正在等下一個大浪時，有一個冷靜的對話。布蘭德猜測了第五維中會發生什么事，她說了五維空間是唯一信號可以回到過去的地方。這就是引力波的應用。

至于宇宙的起源，基普預測，至少在2050年左右，可以探測到原始引力波，到時候，便能揭秘宇宙的起源。