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大话LIGO:两位诺奖得主如何走到一起

 
在一个月黑风高阴森恐怖的晚上我是至尊宝你是白晶晶,奇妙的爱情就从桥头上那一点火开始。
 
基普·索恩(Kip Thorne)与雷纳·韦斯(Rainer Weiss),两个一个擅长理论,一个擅长实验。两人的联手,促成了激光干涉引力波天文台(LIGO)项目的诞生,在项目启动20年之后,在爱因斯坦发表广义相对论诞生100年后,完成了证实这一理论的最后一片拼图,并由此为人类观察宇宙开启了一篇新的窗口。
 
2017年10月3日,瑞典皇家科学院宣布,将今年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩,以表彰他们为“激光干涉引力波天文台”(LIGO)项目和发现引力波所作的贡献。
 
其中,雷纳-韦斯(Rainer Weiss)最早提出用激光干涉仪探测引力波并作噪声分析,基普-索恩(Kip Stephen Thorne)对引力波探测和LIGO作了很多理论工作,而巴里-巴里什(Barry Clark Barish)对建立LIGO国际合作并将其转化为大科学作出了关键贡献。
 
但是在韦斯与索恩真正联手之前。他们一个是至尊宝,一个是白晶晶。一个在寻找穿越时空月光宝盒,一个在寻找求取真经的唐僧。
作为哥本哈根学派最后一位大师约翰·惠勒(John Archibald Wheeler)的学生,基普·索恩在三十岁时就成为加州理工学院历史上最年轻的正教授之一。
 
和他大名鼎鼎的师兄理查德·费曼一样,基普·索恩一样喜欢把艰深的理论变成浅显的比喻,不仅让同事,也让公众看到科学的美妙。当然和研究领域集中在量子力学领域的费曼不同,基普·索恩的研究领域在于引力物理和天体物理学。
 
可以说那是在半个世纪之前。虽然爱因斯坦的广义相对论已经被广泛认可,但是这始终是一个数学上的论证。约翰·惠勒最重要的贡献,就是把学界对相对论理论的理解,从“几何化”推向“物理化”。黑洞、虫洞,这样的词汇,都是从约翰·惠勒开始流行开来的。
 
基普·索恩则在这条道路上走的更远。他曾经在1975年与霍金打赌,天鹅座X-1是否含有黑洞。在1990年有较充分证据表明它是黑洞之后,霍金认输,为索恩订阅了一年美国色情杂志《阁楼》。
1985年的时候,索恩告诉天文学家卡尔·萨根,应该把他的小说叫《超时空接触》中,人类通过黑洞与外星球文明进行超时空接触的情节,改成利用虫洞进行时间旅行。
 
实际上和黑洞一样,虫洞也是广义相对论方程的一个解。在广义相对论看来,时空因质量或能量的存在而变得弯曲,质量越大,弯曲得就越厉害,因而在一些地方会出现所谓的“奇点”。在奇点的地方就可能生成黑洞、白洞或者虫洞。
 
虫洞是一种时空隧道,可以把空间中的两点之间连接起来。比如虫洞可以把黑洞和白洞连接起来,也可以把不同的宇宙连接起来。爱因斯坦和他的合作者纳森·罗森在1935年从理论上论证了虫洞的存在,他们当时把这种理论上有可能存在的天体,没有叫做虫洞,而是看作连接时空两点之间的“桥梁”。
虫洞这个词,就是把三维空间比作一个二维的苹果的表面,假如有一只虫子在这个苹果上咬个洞,它就可以通过更短的路径到达苹果的另一侧。这个空间两点间的捷径,就是虫洞。
 
在索恩看来,引力波是导致时空弯曲,乃至出现虫洞的原因。因此人类要发现可以实现时空穿越的虫洞,必须先找到引力波。
 
1978年,索恩与意大利物理学家布鲁诺·玻耳托蒂打赌,声称在十年之内人们就能够探测到引力波。然而事情并不像索恩所想象的那么容易,到了1992年,他“沮丧而遗憾地认输了”,而玻耳托蒂“也遗憾地接受了”索恩的认输。该赌局的裁判是索恩的学生,宣布自己“遗憾地见证了”这场赌博。
 
2009年,基普·索恩受邀担任电影《星际穿越》的科学顾问。剧本初稿中,他就设定人类在观测引力波时意外发现了虫洞。他当时认为人类在十年内就可以探测到引力波,因此就把实现穿越的时间设定到了2019年。
但诺兰兄弟在修改剧本的时候,删掉了这一部分。索恩对此表示遗憾,“到目前为止,人类对时空弯曲还不甚了解,几乎没有相关的实验和观测数据。这就是为什么引力波尤其重要的原因:引力波源自于空间的弯曲,所以它们是探索宇宙弯曲的理想工具。”
 
时间再次回到40年前,那时候利用激光探测引力波的实验,仅仅是麻省理工学院的物理系教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)设计的一堂课堂练习。在当时广义相对论还只是数学系的研究领域。虽然是引力理论,但绝大多数人也认为它与物理学没什么关系。
 
这主要是因为爱因斯坦理论预测的可观测效应本来就是无限小的,这很难用实验物理学去验证。这也让雷纳·韦斯对于系里让他开设一门广义相对论课程的要求非常头疼。
 
虽然对于广义相对论一知半解,所有的理论都是自学,但对于从小就想成为一名电子工程师的雷纳·韦斯来说,技术是他的专长。在花费了一整个夏天和学生一起研究后,韦斯提出了使用激光来探测引力波的想法。很快获得了美国军方资金制造1.5米长的原型探测器。但不久后由于越南战争和《曼斯菲尔的修正案》,他和团队突然失去了所有科研经费。
 
然而韦斯并没有放弃,他转而向其他政府和私营机构申请资助,以继续研究。除了在NASA获得部分资金外,韦斯向美国国家科学基金会(NSF)的资助申请迟迟未能获得批准。
 
奇妙的爱情就从桥头上这一点火开始的。以后的发展可以用一句“峰回路转”来形容。
1975年雷纳·韦斯应NASA的要求,组织了一个宇宙学和相对论领域空间研究应用方面的委员会。他邀请加州理工学院的基普·索恩来参加委员会听证。
 
在一个炎热的夏夜,他去机场接了索恩。因为索恩没订酒店,他们就住在了一个房间。他们摊开一大张纸,在上面写下了新的引力研究组能做的一切实验。韦斯向索恩介绍了自己的研究进展,后者当即表示很有兴趣合作。这次谈话后,麻省理工学院和加州理工学院正式联手,于是便有了后来的LIGO。
 
这是一个雄心勃勃的愿景,无疑也是一个漫长而复杂的过程。他们仔细查看了各种可能的引力波源,以及世界不同实验室所开发原型干涉测量方案的原型,所有这些信息被放进了一份报告中,并在1983年提交给了国家科学基金会。
 
他们的设想得到NSF的认可,认为这是一项有风险,但可能产生卓越成果的研究,值得考虑进行立项。1992年,LIGO项目最终获得美国国家科学基金会批准的第一笔资金援助,该项目也成为该基金会迄今为止资助力度最大的一个项目。
 
所谓光阴似箭,真的一点也不错,因为才一转眼就说到重点了。在断崖顶上就是感情爆发的时候,……,还立下了永不分离的誓言。
虽然从2002年开始,他们一直没有发现引力波,他们所做的工作,就是设法降低各种噪声的影响,提高仪器的灵敏度。来自全球15个国家、超过950位科学家参与其中。LIGO在2010年开始重新组建及进行升级工作,直至2015年终于将探测器性能大幅加强3倍。
 
2015年9月14日9:51(北京时间17:51分),位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两个LIGO探测器探测到了距离地球13亿光年之外的引力波信号。
 
2016年2月12日,雷纳·韦斯与基普·索恩这两位联合创始人,与LIGO执行主任大卫·瑞兹(David Reitze)、LIGO科学合作组织发言人加布里娜·冈萨雷斯(Gabriela González),共同出席了在华盛顿举行新闻发布会,正式向全世界宣布已于2015年9月探测到引力波。
 
这是人类目前为止对广义相对论的“最佳认证”,终结科学界长达百年的迷思。很多人觉得他们两个已经预定了诺贝尔奖。
 
雷纳·韦斯说,我感到一种巨大的解脱和喜悦,但其实更多是解脱。一直以来,有一只猴子坐在我的肩上长达40年,他一直在我耳边唠叨,说:“嗯,你怎么知道这真的能够成功吗?你已经把一大堆人拉了进来,但如果它是错误的呢?”突然,他跳走了,这实在是巨大的解脱。
 
这个猴子,可能就是至尊宝变的。
 
白晶晶:你……你现在想怎么样?
至尊宝:看到你我不用再回去了,我们成亲。
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