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发现引力波 一场四十年的“打赌”

日期: 2017-12-28 浏览次数:
原标题:发现引力波 一场四十年的“打赌”

  基普

  雷纳

  北京师范大学论坛现场

  从去年开始位居《科学》《自然》杂志年度十大科学发现榜首,到今年诺奖物理奖获奖领域,被称为“时空涟漪”的引力波由于证实了爱因斯坦百年前的预测,拓展了人类的科学知识边界,成为当之无愧的“科学网红”。

  2017年诺奖物理学奖两名得主,在引力波领域的“大神级”科学家雷纳・韦斯(Rainer Weiss)、基普・索恩(Kip Thorne)更是在斯德哥尔摩诺奖颁奖后,家也没回,就直接带着诺奖奖牌和行李来到中国。

  日前在北京,未来论坛举办的“理解未来”讲座上,两名平均年龄超过80岁的科学大咖,讲述了他们人生40年与引力波不得不说的故事,以及对时空穿越、宇宙缘起的看法。

  文、图/广州日报全媒体记者王丹阳

  “1604年,中国宋朝,那颗超新星爆发照亮了天空,没人明白为什么所有中国人看到了,欧洲人却没看到。也许他们没看,也许都喝醉了,谁知道呐。”

  德裔2017诺奖物理学奖得主雷纳・韦斯戴着圆形渐变花纹眼镜,纯白头发,秃顶,不时冷幽默地从引力波双中子星合并产生金子,补充超新星爆发可以产生重元素的科普故事。

  优化探测器敏感度

  85岁诺奖得主爬进真空管

  85岁的雷纳穿着米麻色oversize西装外套,浅蓝衬衫,黑长西裤、棕皮鞋、蓝白色的袜子。这身穿着与他在诺奖官网上照片一模一样,连手表都是同一块。他就像从诺奖现场,时空穿越而来。

  12月19日傍晚,北京师范大学,来听讲座的人提早2小时就在寒风中排起长队,但只有幸运的100多人能进到现场。

  令进入现场的观众敬佩的是,这位85岁的科学家,为了解决一些实际问题,现在还会亲自爬到引力波探测系统LIGO(全称为“激光干涉引力波天文台”)的管子里。

  LIGO系统由两个相距1865英里,且完全相同的探测器组成。每个探测器包含由两个长度为4公里的真空管,布置成L形,科学家们通过真空管来发射激光束。每束激光到达真空管末端后,会被镜面反射,并沿相反路线返回。

  根据公式计算,如果被探测的引力波的波长是4公里,那么用激光测量所有波长的数据则是在4×10的负18次方的长度。

  雷纳・韦斯爬进长达4公里的真空管,正是要优化仪器敏感度。“这要比测量用的光波的波长要小得多,非常有挑战。”他说。

  用40年证明

  牛顿错了爱因斯坦对了

  引力波从何而来?雷纳・韦斯为何会想出设置LIGO装置?

  你我熟知的一个民间故事:牛顿坐在一棵树底下,被苹果砸了,由此有了灵感,发现了万有引力。

  在330年前,科学家牛顿提出了著名的“万有引力定律”,直到今年学校里都在学习这个物理史上的著名理论。牛顿认为,任何两个有质量的物体之间存在万有引力,而且物体之间引力的传递不需要时间。这就是为什么地球围绕太阳转,为什么树上的苹果会落地。

  但在100年前的爱因斯坦看来,牛顿错了,错在两点。第一是在高速运动的大质量天体周围牛顿引力是不足够的,比如著名的水星进动问题;第二是牛顿引力里面引力不是以有限速度传播的,像其他信息一样,在1905年的狭义相对论中所提到的,引力的传播速度是不能超过光速。

  1916年,爱因斯坦提出了广义相对论,并预测了引力波的存在。由于无法实验证实,爱因斯坦自己对引力波也并不一直坚信。爱因斯坦曾看着他的引力公式说道:“所要研究的数字和维度都太小了,小到不会对任何事物造成影响,也没有人能够测量。”

  1967年,当时的麻省理工物理学主任雷纳要设计一门有关广义相对论的课程,他想到了用100年前没有的激光来证实爱因斯坦的预测。

  而这一切,直到2015年人类首次发现引力波,整整花了40年。

  雷纳风趣地说,虽然他坚信自己会成功,但爱因斯坦在投稿预测引力波后,也曾一度反复。

  当时,爱因斯坦投稿的第一家杂志社匿名评审认为该论文需要修改,不宜发表。因此,爱因斯坦就另投了一家杂志。但论文发表后,爱因斯坦也曾一度悲观,想撤下自己的论文,并宣称引力波并不存在。幸亏当时有一名普林斯顿大学的副教授,听说此事后,找到爱因斯坦,提出了论文的修改方式,才使得爱因斯坦的引力波最终保留。

  有意思的是,雷纳说,几十年后,匿名科学论文评审名单解密,那名劝说爱因斯坦保留引力波论文的大学副教授,正是他第一次投稿不主张发表引力波的匿名评审。

  理论物理学“大神”

  他是与霍金对赌的“背景帝”

  相比雷纳・韦斯是LIGO实验设置的负责人,另一名2017诺奖物理学奖得主基普・索恩则是理论物理学家。计算引力波的4×10的负18次方的长度,正是基普年轻时推算出公式的一部分。

  戴着飞行员形的近视眼镜、光头,花白胡子的基普说,自己标志性的黄白胡子是老后才留的。在早年照片中,他是一个不戴眼镜,穿机车皮衣的嬉皮青年。

  1962年到1965年,基普在普林斯顿大学读博士,他的导师是“黑洞”名词的发明者Bob Dicke。雷纳当时则是Bob的博士后。

  直到1972年的时候,雷纳推出了一个怎么去探测引力波的提案,当时发表在一份麻省理工学院内部的学术期刊,并没有对外发表。

  基普回忆,雷纳的提议非常吸引人,他想剥除所有的噪音,把注意力都关注到引力波的探测上来。甚至论文还描述了探测器的精度、敏感性有多高,才能够探测到引力波。

  基普的博士论文就是从雷纳的文章里面找到了灵感,但他写的并不是引力波。“我个人其实还是比较保守的,我不想要想法太疯狂。”

  随后,基普开始了几十年的引力波的理论研究。与他一起共事过的北京师范大学天文系副教授张帆说,基普对科学追求非常有恒心,他经常在半夜或凌晨发出邮件。

  在中国,在获得诺奖前,基普出现在大众面前是因为与好友霍金的“对赌”照片中的“背景帝”。作为一生挚友和同行,基普曾与霍金打赌,是否有黑洞存在等多个物理问题。

  结果,这场比赛,基普赢了。至今,他的办公室外还挂着与霍金的“对赌”契约。

  时空穿越不大可能

  《星际穿越》里的引力波

  但在时间旅行上的研究,基普与霍金却出奇地一致。

  几年前,基普的生日派对上,曾有人说一个证实没有时间旅行的有力证据是未来的基普没有穿越回来给自己祝寿。

  基普说,他在现有理论下进行了大量计算得到的猜测,结论是时间穿越被允许的概率很小,老虎机娱乐平台,但不能确定。

  时光旅行是一个物理过程,是弯曲时空中的量子场论计算。不论如何制造时光机器,制造者都会在那个机器开启的一瞬间摧毁它。

  在现有理论下,当机器开启后,第一个穿越回到过去的是光或真空的量子起伏,它穿越回去以后再来一圈就变成四倍都集中在同时同地,虚拟粒子密度不断增高,并转化成真正的辐射粒子爆炸。爆炸很强,又集中在一个很小时间区间,现有的物理理论已经不适用,必须转而应用量子引力的定律,但我们现在还不理解这些定律是什么。

  基普介绍,霍金则是独立于他也在研究这个问题,他们翻来覆去争论这个问题争论了一两年。最后,两个人都同意,可能与否取决于量子引力,爆炸强度是有可能在量子引力变得重要之前毁掉时光机的。

  所以,有关时光机器的结论是,在量子引力被搞清楚前,人类无法知道问题的答案,量子引力也主导宇宙的出生和黑洞的内部。

  基普幽默地说,霍金是科学界最聪明的人,比他有深度,但他自己算是“比较优秀的人,好歹我还能跟得上他的思路。”

  在演讲中,基普・索恩也讲了两部科幻电影里的引力波。但同是诺奖得主的雷纳表示这两部电影他都不太理解。

  一部是《盗梦空间》里的世界,“场景很难理解,但如果你看了5到10遍电影,你会发现影片里其他地方的对话会讲了你想要了解的东西。”基普说。

  另一部则是《星际穿越》里的第五维世界,当库珀和安妮・海瑟薇饰演的布兰德在水星球上游骑兵号飞船上的时候,刚刚有一个大浪过去了,他们正在等下一个大浪时,有一个冷静的对话。布兰德猜测了第五维中会发生什么事,她说了五维空间是唯一信号可以回到过去的地方。这就是引力波的应用。

  至于宇宙的起源,基普预测,至少在2050年左右,可以探测到原始引力波,到时候,便能揭秘宇宙的起源。




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