基普·索恩：捕捉“時(shí)空的漣漪”

尹傳紅

作為當(dāng)今世界研究廣義相對(duì)論下天體物理學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一，基普·索恩長期致力于宇宙時(shí)空彎曲的研究，創(chuàng)建了全球知名的LIGO項(xiàng)目，為研發(fā)新一代引力波探測器技術(shù)作出了重要貢獻(xiàn)。

生長于美國猶他州洛根市落基山下的基普·索恩，打小就對(duì)鏟雪車情有獨(dú)鐘。他曾夢(mèng)想長大后能夠成為一名鏟雪車司機(jī)—那是當(dāng)時(shí)他所想到的最榮耀的一份工作了。

然而8歲那年，當(dāng)索恩那位擁有經(jīng)濟(jì)學(xué)博士學(xué)位的母親帶他去聽了一場天文學(xué)講座后，他的志向就發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變—對(duì)天體物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。那天一回到家里，他就聽從母親的建議，自己動(dòng)手做了一個(gè)太陽系的模型。

1958年秋，索恩進(jìn)入了走在物理學(xué)研究前沿的加州理工學(xué)院。4年后，他又去往普林斯頓大學(xué)，師從“美國物理學(xué)之父”約翰·惠勒，攻讀博士學(xué)位。由此他步入黑洞與量子力學(xué)的研究行列，并在30歲時(shí)成了加州理工學(xué)院歷史上最年輕的正教授，也是研究廣義相對(duì)論的第一代物理學(xué)家。

惠勒最為世人熟知的成就是創(chuàng)造了“黑洞”這個(gè)簡潔、貼切、概括性極強(qiáng)的詞匯，用來解釋宇宙中大質(zhì)量超巨星坍縮時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象，以取代先前的一個(gè)說法—“引力完全塌縮”?；堇战虒W(xué)和研究的方法也獨(dú)具特色，他鼓勵(lì)自己的學(xué)生探尋那些對(duì)了解宇宙有意義的巧妙的解決方案，并且常常引述他的老師、丹麥著名物理學(xué)家尼爾斯·玻爾的話：“任何深刻真理的反面也是一個(gè)深刻的真理”，以此告誡學(xué)生們給任何相反的假設(shè)以充分的重視。索恩回憶，他在加盟惠勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)僅僅一個(gè)小時(shí)后，“思想就發(fā)生了翻天覆地的改變。”

索恩還記得，有一天，惠勒急匆匆地跑進(jìn)自己上相對(duì)論課程的教室，向大家宣布了剛由兩位物理學(xué)家成功完成的一項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)—恒星瀕臨死亡時(shí)會(huì)向內(nèi)聚爆。這意味著，如果恒星內(nèi)核足夠重的話，整個(gè)宇宙中沒有任何力量可以阻止引力創(chuàng)造出黑洞。此時(shí)的索恩，正傾情于純粹意義上的天體物理學(xué)，以期通過引力奏響的奇妙樂曲，為揭示宇宙奧秘打開一扇大門。

愛因斯坦的奇異“遺產(chǎn)”

索恩欲在天體物理學(xué)領(lǐng)域一展身手的那個(gè)時(shí)期，無論是天體物理學(xué)家，還是天文學(xué)家和相對(duì)論學(xué)者，都興奮地意識(shí)到，相對(duì)論與天文學(xué)的大融合已然開啟，并將迎來一個(gè)創(chuàng)新期和轉(zhuǎn)折期。特別是，愛因斯坦在20世紀(jì)早期預(yù)言的引力波，引發(fā)了極大的關(guān)注。

愛因斯坦那時(shí)已認(rèn)識(shí)到，就像電磁波中的無線電波是由電荷在天線中上下流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的那樣，當(dāng)物質(zhì)來回移動(dòng)時(shí)，引力輻射波隨之產(chǎn)生。這可以理解為時(shí)空結(jié)構(gòu)或時(shí)空曲率的波動(dòng)，而曲率就像落入水塘的石頭在水面上激起的漣漪一樣傳播。那是伴隨宇宙中最猛烈事件而產(chǎn)生的“隆隆回聲”。天體物理學(xué)家們相信，由黑洞本身產(chǎn)生的引力波信號(hào)，可以作為黑洞存在的直接證據(jù);而他們正是想通過探測引力波來證明黑洞的存在。如果探測到了源自黑洞的引力波，黑洞理論將會(huì)獲得最終證實(shí)。

可是，愛因斯坦本人并不十分確定引力波是不是真的存在，不少研究者也持懷疑態(tài)度。初涉這一研究領(lǐng)域的索恩起先同樣感到茫然，直到1963年夏的一天，他在阿爾卑斯山參加廣義相對(duì)論引力定律暑期講習(xí)班時(shí)，與美國一位杰出的物理學(xué)家的邂逅并交談，改變了他的看法。

一種探索宇宙奧秘的使命擔(dān)當(dāng)

約瑟夫·韋伯第一個(gè)充滿遠(yuǎn)見地認(rèn)識(shí)到，測量引力波并不是完全沒有希望，他在20世紀(jì)60年代初還是世界上唯一一個(gè)致力于尋找引力波的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。在瑞士迷人的湖光山色中，他跟索恩講引力波和他的探測計(jì)劃，指出需要的基礎(chǔ)在于實(shí)驗(yàn)，也就是探測器的設(shè)計(jì)、建造和不斷的改進(jìn)。這一切都令索恩深深著迷。

不過，年輕的索恩也提出了他的不同見解，認(rèn)為基礎(chǔ)在于理論，要搞清楚廣義相對(duì)論關(guān)于引力波如何產(chǎn)生，如何在離開時(shí)對(duì)波源反作用，如何傳播;還應(yīng)該判斷，哪類天體會(huì)產(chǎn)生宇宙間最強(qiáng)的引力波，以多大頻率振蕩;我們還應(yīng)發(fā)明一些數(shù)學(xué)工具來解開這些天體產(chǎn)生“交響曲”背后的秘密。這樣，當(dāng)最終探測到引力波時(shí)，理論和實(shí)驗(yàn)才能進(jìn)行對(duì)比。

盡管關(guān)于黑洞存在的各種證據(jù)在20世紀(jì)60年代和70年代爭議頗大，索恩依然堅(jiān)信引力波確實(shí)存在，他可以深入研究那些奇異的黑洞，來了解它們吞噬恒星、產(chǎn)生引力波的理論細(xì)節(jié)，他覺得這些“宇宙信使”必定會(huì)打開一扇觀測宇宙的新窗口。

在前往美國東北部的一次旅行中，有一天深夜，當(dāng)索恩漫步于一個(gè)陌生的街道上時(shí)，驀然萌生了一個(gè)信念：他應(yīng)該帶領(lǐng)加州理工學(xué)院，走到引力波探測這條道路上來，雖然它很可能滿是荊棘曲折。他甚至感悟到了自己身上有一種探索宇宙奧秘的使命擔(dān)當(dāng)。

“默契得難以

言喻”

1975年，索恩的一位俄羅斯好友列昂尼德·格里修克提出了一個(gè)令人吃驚的預(yù)言：宇宙大爆炸會(huì)產(chǎn)生大量引力波。他認(rèn)為，這些引力波有一種特異的產(chǎn)生機(jī)制：來自大爆炸的引力量子漲落（在空間中任意一點(diǎn)處能量的暫時(shí)變化），會(huì)被宇宙初始的膨脹顯著地放大，它們就形成了原始引力波。如果這些引力波能夠被發(fā)現(xiàn)，那么它們就可以幫助我們一瞥宇宙誕生時(shí)的情形。

就在這一年，索恩遇到了他事業(yè)上的一個(gè)“知音”—麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯。他們一同參加美國國家航空航天局舉辦的一次會(huì)議。索恩參會(huì)的目的，是為即將向加州理工學(xué)院提交的成立引力實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目組的申請(qǐng)報(bào)告搜集相關(guān)資料，他知道韋斯早在1969年就設(shè)計(jì)出了干涉儀式的引力波探測器。

兩人一見如故，“默契得難以言喻”。在隨后的日子里，他們又不時(shí)相聚，“經(jīng)常秉燭夜談”。韋斯回憶說：“我們?cè)谝粡埣埳袭嬃艘环艽蟮膱D，呈現(xiàn)出引力研究的所有方面。未來的方向在哪里？或者說，我們會(huì)有什么樣的未來，要做哪些事情？”

在索恩、韋斯等人的不懈努力下，一套大科學(xué)裝置——激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）被建立并啟用。在這個(gè)分布于數(shù)個(gè)地方的龐大網(wǎng)絡(luò)中，都有幾千米長的干涉儀在全天候地運(yùn)行、掃描天空并尋找遠(yuǎn)道而來的引力波。它們形成了一個(gè)全息的國際探測網(wǎng)。

2015年9月14日，LIGO宣布首次觀測到引力波。此次引力波來自13億光年以外的兩個(gè)黑洞（分別為29倍和33倍太陽質(zhì)量）的碰撞融合。

2016年2月11日，美國華盛頓國家科學(xué)基金會(huì)的大廳里，LIGO天文臺(tái)研究組的負(fù)責(zé)人走上講臺(tái)，一字一句地說道：“我們……已經(jīng)探測到了……引力波！我們做到了！”會(huì)場頓時(shí)掌聲雷動(dòng)。隨后，索恩、韋斯與科學(xué)合作組織的發(fā)言人共同詳細(xì)地介紹了發(fā)現(xiàn)結(jié)果。

2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院宣布：2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三名美國科學(xué)家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他們“在LIGO探測器和引力波觀測方面做出的決定性貢獻(xiàn)”。

“引力波將成為未來幾年、幾十年甚至幾個(gè)世紀(jì)人類探索宇宙的強(qiáng)有力工具，”77歲的索恩獲獎(jiǎng)后接受媒體采訪時(shí)說，“這是全人類的勝利?！眅ndprint