2017諾獎物理獎兩位得主講述：

發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(wǎng)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?nèi)松?0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(fā)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(fā)，禿頂，不時冷幽默地從引力波雙中子星合并產(chǎn)生金子，補充超新星爆發(fā)可以產(chǎn)生重元素的科普故事。

優(yōu)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(wǎng)上照片一模一樣，連手表都是同一塊。他就像從諾獎現(xiàn)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(xiàn)場。

令進入現(xiàn)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(xiàn)在還會親自爬到引力波探測系統(tǒng)LIGO(全稱為“激光干涉引力波天文臺”)的管子里。

LIGO系統(tǒng)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(fā)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(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)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(zhàn)。”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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(zhuǎn)，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(zhì)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(fā)表。因此，愛因斯坦就另投了一家雜志。但論文發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)表在一份麻省理工學院內(nèi)部的學術期刊，并沒有對外發(fā)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(jīng)常在半夜或凌晨發(fā)出郵件。

在中國，在獲得諾獎前，基普出現(xiàn)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(jù)是未來的基普沒有穿越回來給自己祝壽。

基普說，他在現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(qū)間，現(xiàn)有的物理理論已經(jīng)不適用，必須轉(zhuǎn)而應用量子引力的定律，但我們現(xiàn)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(nèi)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(yōu)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(fā)現(xiàn)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(fā)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。