諾獎得主基普索恩：15年內有望解開宇宙誕生的秘密

文|張瀟瀟

新晉諾貝爾物理學獎得主，76歲的基普•索恩很像老年版的《生活大爆炸》中的謝耳朵。這不僅是因爲他們都是理論物理學家，也都在加州理工學院任教，基普對科幻的熱愛，言談中的冷幽默，和老頑童的好奇心態也與謝耳朵如出一轍。他留着時髦的鬍子，中間是白色的，邊緣是黃色的。“我老了纔開始留鬍子的，因爲覺得自己的下巴不夠好看。”12月19日，基普·索恩和同時獲得諾獎的雷納•韋斯一起，在未來論壇上進行了長達兩小時的演講。演講開一開場，基普就一本正經地先解釋了鬍子造型的原因，引得滿堂大笑。

當天，索恩本來答應了北師大的張帆教授，在論壇上給他看看諾貝爾獎章長啥樣，但臨走的時候忘帶了，“獎章此刻靜靜地躺在酒店的保險櫃裡，”他說，“不過也沒什麼好看的，特別小一塊兒。”

在獲得諾獎之前，索恩最爲人所熟知的身份是科普演講學術明星，科幻小說家，和諾蘭電影《星際穿越》的科學顧問。他的學生陳雁北曾說，索恩有把複雜深奧的東西，深入淺出地講清楚的能力。而這個能力讓索恩在科學家之外，有了“網紅”體質。他的科普演講和科普書籍，讓全世界無數年輕人開始對黑洞、引力波、相對論、時間旅行以及蟲洞等話題着迷。2009年，從加州理工學院退休後，他不僅參與了科幻電影《星際穿越》的編劇和拍攝，親自用粉筆寫出了電影中黑板上覆雜的公式，而且還出了一本關於《星際穿越》的書，詳細解釋《星際穿越》中的科學原理。論壇上他還透露，還將參與一部好萊塢科幻電影，但他表示，他不是拍電影上了癮，而是爲了激發更多年輕人投身科學探索。

索恩的老頑童個性還體現在他與另一位科學狂人霍金的三次打賭上。他曾和霍金打賭三次，分別賭天鵝座X-1不是黑洞，宇宙中不存在裸奇點，和黑洞會摧毀一切信息。三次霍金都輸了。三次打賭，索恩得到了霍金爲他訂了一年的色情雜誌《閣樓》，（雖然索恩辯解稱他只想要看雜誌的“文章”，但還是被妻子臭罵了一通），一件包裹“裸體”的T恤衫，（霍金不甘心地在體恤上寫下“大自然討厭裸露”），還有一本百科全書。如今，他們的賭據還貼在索恩的辦公室牆上，

探測引力波，應該是索恩打下最大的豪賭了。這個賭局長達40餘年，耗費了大量的資金和數以千計的科學家長年累月的工作。1972年，雷納•韋斯在麻省理工的校內期刊上發表了探測引力波的方案，索恩讀了，當時覺得這想法太瘋狂了，根本不可行，因爲要實現雷納的激光干涉儀的實驗想法，需要達到很高很高的精密程度才能實現。但之後兩人在俄羅斯滑雪交談一番後，索恩被說服了。他加入了LIGO計劃，成爲了LIGO的聯合創始人。索恩在理論上搭建起引力波探測的研究框架，從無到有開創了引力波探測的很多子方向。隨後，索恩說服加州理工學院支持引力波探測研究，並組織上千名科學家共同從事試驗，還把美國國家科學基金會也拉了進來，LIGO成爲該基金會資助力度最大的一個項目。

但“賭神”索恩並未料到，捕捉到引力波信號的那一瞬，需要人類經歷如此漫長艱辛的努力。索恩曾對學生說1980年前引力波就會被探測到，後又與人打賭說，LIGO在2000年前定會探測到引力波，但曾在“科學賭局”中贏過霍金3次的索恩，這兩次卻都錯了。

2009年從加州理工退休時，他預計人類會在10年之內首次觀測到引力波，因此他在電影《星際穿越》的設定中，把發現蟲洞的時間安排在了2019年。

這一次，他猜對了，而且時間提前了整整4年。

2015年9月14日，百年前曾被阿爾伯特·愛因斯坦所預言的宇宙引力波第一次被探測到了。這些引力波來自兩個黑洞的相撞，它們經過13億年的長途跋涉到達了美國的LIGO探測器。

隨後，LIGO好消息不斷，2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先後三次探測到黑洞併合產生的引力波。

2017年8月17日，即將關閉探測到LIGO探測到了約1.3億年前雙中子星碰撞產生的引力波。全球幾乎所有的天文望遠鏡都對準了長蛇座NGC4993星系，觀看這場盛大的“宇宙煙火”。在浩淼的宇宙面前，“人類終於耳聰目明瞭”。

作爲人類歷史上最重大的發現之一，LIGO探測到引力波的意義不僅在於直接驗證廣義相對論和它預言的引力波的存在，更重要的，它開啓了多信使天文學的時代。如索恩在演講中所講，未來，引力波的探測將會常態化，隨着儀器精密度的提高，黑洞合併的探測將從一天一次，變爲一小時一次，超新星爆發等現象也會被觀測到，對原初引力波的研究還可能解開宇宙誕生的秘密。

正因爲此，較少獎勵最新發現的諾貝爾物理學獎，毫無懸念地火速頒給了引力波三劍客雷納·韋斯（Rainer Weiss），基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）。

在論壇上，索恩接受了很多問題，有人問他的生活是否和 《生活大爆炸》 中的科學家的生活方式相似？老頭子一本正經地答到：“我的生活和正常人一樣。”還有一個問題更令我印象深刻，“你爲什麼這麼愛打賭？”“不，我不愛賭博，我只爲物理學下注”，索恩說。

本站科技根據未來論壇現場錄音聽譯，整理了兩位諾獎得主的演講。

以下爲基普•索恩的演講全文，略經編輯。

我想給大家講講我的個人經歷，我和雷納·韋斯（Rainer Weiss）之間是如何進行合作的，以及我早期的一些研究經歷。

我是理論物理學家，雷納·韋斯是實驗物理學家。我關注的是理論，他關注的是如何讓這些理論應用到現實中。我也非常希望能夠通過理論的工具，比如愛因斯坦的相對論，來推動物理學的發展。

1962年到1965年，我在普林斯頓大學讀博士，我的博士導師是約翰·惠勒（John Wheeler），他是黑洞理論和中子星理論的著名學者，他發明了“黑洞”這個名詞。當時，我們的小組中一個非常重要的課題，叫做實驗重力，這個小組是由鮑勃·迪克（Bob Dicke）領導的。我們用了愛因斯坦相對論來做相關的實驗證明研究，來檢測物理學一些非常基礎的原理。在鮑勃的小組裡，有一位非常重要的成員，就是雷納·韋斯，他是鮑勃的博士後。當時，我並沒有意識到，如今在天文學界會有如此偉大的一次發現，我也萬萬沒有想到，我學習的這門功課，給我帶來一個這麼精彩的科研成果。

1963年我去了法國Les Houches，讀一個夏天的研討班。在那裡，我遇到了喬•韋伯（Joe Weber），現在LIGO用到的引力波理論就是他研究的方向。當時我從他那裡學習了引力波的相關知識，我對此非常的感興趣。

1966年，我去了加州理工大學，在那裡和我的同事們做了一個理論小組，研究中子星，黑洞還有引力波。當時我就瞭解到，很多的科學理論是可以用引力波來證明。在1972年，我和一位叫比爾·普萊斯（Bill Press）的學生一起對比了一下電磁波和引力波的區別。引力波和電磁波都能夠從遙遠的空間的另一端給我們帶來信息，但是這兩種波是完全不一樣的。

伽瑪波、微波、電磁波、無線電波等等，所有的波都有它自己的一種頻率，包括電磁波也是具備所有的特徵。它其實是一個電磁場的振動，這個振動在時空當中的傳播就叫做電磁波。剛剛雷納·韋斯教授跟我們也談到了在空間變化的時候，我們會發現它有的時候會發生扭曲，有的時候會收縮，有的時候會伸長。我們發現電磁波還有一個特徵，它其實是一個粒子、原子和分子發射的波的隨機重合。但是我們發現，引力波是時空本身的振動和扭曲，它的源的質量和能量都是非常大的，它所形成的波是一個相干輻射，這和很多天體電磁波是不一樣的。另外，我們發現電磁波能夠非常容易吸收，也非常容易散射。但是引力波其實是不太會被吸收，也不會被分散，所以即便是在宇宙大爆炸的時候，所產生的引力波到現在也還存在。那個時候宇宙是非常緻密的，密度是非常高的，那個時候的波一直留存到了現在。

在七十年代，我們發現，有很多的引力波的波源是沒有辦法以電磁的方式來觀測到的，包括黑洞，例如兩個黑洞合併成一個，這些東西都沒有辦法通過電磁波或者是無線電波的方式觀測到。這兩者之間的不同，其實就告訴我們，我們很有可能能夠從引力波當中找到一些驚喜。同時我們能夠了解整個宇宙是怎麼樣進化的，是有這樣的一個可能性的，所以我們就需要去檢測和觀察引力波，我個人對此非常感興趣，很想要成爲這個學術運動中的一員。

1972年，在比爾·普萊斯和我發表了第一篇文章的同一年，雷納·韋斯推出了關於如何探測引力波的一個方案。這篇文章當時是發表在一份麻省理工學院內部的學術期刊上的，他並沒有對外發表。引力波探測的理論發表在一本非常小的校內的期刊上面，非常有意思。他相信，直到他的探測器能夠在未來真正探測到引力波之後，纔可以真正在公開場合發佈這個成果，而不是搶先發布研究成果，雖然他現在的研究成果和他四十年以前所談論的技術和想法是一樣的。

他的提議非常吸引人，他想要剝除所有的噪音，把所有的注意力都關注到引力波的探測上來，這也是我們LIGO系統做的一件事情，就是剝除所有的噪音來探測引力波。他還描述了，這樣的一個探測器到底要做到精度有多高，敏感性有多高，才能夠探測到引力波，所以其實非常完整的一套方案，他甚至精確到我們這個設備要多少米長，多少米寬等等。我看了他的文章，我的博士論文就是在這篇文章中找到了靈感，然後我就寫了一本關於重力的博士論文。當時我對雷納•韋斯這篇論文的想法是，這個方案太瘋狂了，完全不可行！

大家試想一下，我們用鏡子來測量光, 但要保證鏡子的位移是所用於測量的光線波長的10的負12次方，大家能想象嗎？能夠測量成功嗎？後來我和雷納·韋斯、烏拉迪米爾·布拉金斯基在俄羅斯也討論過，和雷納討論之後，我被說服了。在1972年，我也寫了更多的論文，也花了很多的時間，把每一個細節都捋清楚，這也就是爲什麼我今天來到這裡，因爲我已經搞清楚了這一套東西，可以跟大家談一談。

我想強調的是，我們現在還沒有製造出達到設計精度的高級LIGO探測器，2020年會達到這個精度。早在1968年，這類的一個探測器的細節還沒有出來之前，布拉金斯基就提出了這樣的一個概念，就是不論什麼手段，都需要測量的儀器的精度達到量子尺度。如果我們要去測量一些非常大質量的物體的位置變化的時候，我們會探到一個大重量物質的量子漲落，包括我們用鏡子來做這樣的一個實驗的話，我們就可以看到鏡子的量子漲落，它的德布羅意波長是10的負17次方釐米，與探測所需要的對應變的靈敏度相當。如果能夠實現這樣的做法，人類會第一次觀測到大物體以量子物理的方式來運動。如何在量子噪音環境中，提取出大小相當的引力波信息，這就是布拉金斯基所謂的量子非破壞性測量技術，這是理論與實驗結合的一個很好的例子。這項研究是我和布拉金斯基兩個研究組的合作產物，陳雁北在其中起到了至關重要的作用。

現在聊聊引力波的波源，我們通過引力波能看到什麼呢？兩個碰撞的黑洞，我們都知道黑洞，它其實是一個天體，基本上我們可以把它看作是一個圓形的東西，但轉動的黑洞會變扁。它的重力非常強大，一般的東西都脫離不了它的引力。在表面的這個部分，叫做它的事件視界，如果說我們過了這個界限的話，任何的信號都發不出來了，因爲它的引力非常的大，包括無線電波都發不出來，全部都被它吸引掉。告訴大家一個秘密，在黑洞裡面，時間都是以某一個特殊的方式向中心流動的，因爲沒有東西可以在時間上反向行進，所以也沒有東西可以逃離黑洞。

上圖是兩個第一次用引力波探測到即將要碰撞的黑洞。這是我們的肉眼能夠看到的黑洞景象。這兩個黑洞在13億年前發生碰撞的時候，我們看到的就是這樣的一樣子。它是非常複雜的一個模式，兩個黑洞是環繞着對方進行運動，慢慢越來越近，然後碰撞到一起。這是13億年前所發生的一件事情，彼時我們的地球上纔剛剛有多細胞生物，但在離我們遙遠的星系中，兩個黑洞不斷地圍繞着對方來運動，產生引力波，最終他們碰撞產生非常強的一個引力波。這個引力波5萬年前到達銀河系外圍的時候，我們人類的祖先還在與尼安德特人分享地球。引力波在銀河當中旅行，然後到達地球的時間就是2015年，先到南極，然後它又向上穿過地球，首先是被我們路易斯安那的監測站監測到了，然後在華盛頓又被監測到了，然後它繼續旅行，穿過地球，這就是我們觀測到的現象。

引力波是從黑洞來的，但是黑洞並不是由物質組成的。確實，黑洞被認爲是恆星爆炸坍縮產生的，恆星本身的物質會進一步被破壞，變化成奇點藏在黑洞裡面，但其實黑洞的組成是彎曲的時空。大家可以去想象一下，把兩個黑洞放在一個二維的面上，由於黑洞的周長和直徑相比太小了，這個面不能和桌面一樣是平的，必須被二維面彎曲放在一個更大的三維空間內。《星際穿越》是把三維空間放在四維裡。

這和雷納的網格是一個意思，時間的減慢在這張圖上是用顏色表達的。在紅色的這個地方，時間是比較慢的。這些箭頭指向了空間運動的方向，以及時空彎曲的方向。在黑洞彼此環繞，並最終碰撞在一起的時候，產生的效果就好像在海平面中扔一塊石子，水先會下降，然後再向上去激起非常大的浪花。在兩個黑洞融合到一起之後，他們中間的空間會升起來，這個時候會有引力波產生，同時產生巨大的能量。相當於三個太陽質量的能量，轉化成了引力波。這個碰撞的過程是非常快的，單位時間的能量非常大，是所有的宇宙中，星球能量在那個時間段的總和的50多倍以上，是一個令人難以置信的奇觀。

最後，我想講一下引力波的未來。在未來，我們首先會對LIGO系統進行改進。現在如果打開LIGO系統，在兩個檢測器都在運行的情況下，像雷納·韋斯這樣的實驗物理學家去觀察，一到兩個月會觀測到一次雙黑洞的合併。所以我們基本上可以說，目前這樣的現象是一個月能觀測到一次。如果我們能夠提高LIGO的靈敏性，我們看到黑洞合併事件的機率將會是現在的27倍。也就是說，我們的觀測效率可以從之前的一個月觀測到一次，到一天觀測到一次。這個改進大概在2020年的時候能實現。這也是爲什麼雷納·韋斯和其他的同事關閉了檢測器，關閉了一年的時間，對它做進一步的改進，增強它的靈敏度。這將是一個非常重要的實踐，讓LIGO達到設計靈敏度。

未來，在引力波天文學領域，還會有更多激動人心的可能。在二十一世紀的二十年代後期，如果Voyager這樣的設備能夠進一步改善靈敏性，我們每一個小時就能夠看到一次雙黑洞的碰撞。在歐洲還有一個愛因斯坦望遠鏡，它將在二十一世紀三十年代的時候能夠進行進一步的宇宙探測，它將能夠看到、瞭解到宇宙中的每一次的雙黑洞的合併，只要這個質量是在1000太陽質量以下的。這也是我們未來的進展的一個方向。

同時我們還能夠觀測到其他引力波的來源，比如中子星和脈衝星，我們也確實觀測到了兩個中子星的碰撞，同時我們也知道了它的質量一般是1.5倍的太陽質量，而且我們能夠看到脈衝星或者中子星在進行旋轉的時候，我們能夠看到他們在這個過程中也會產生引力波，大家也會把它瞭解成在中子星表面有一些山脈，然後它會產生一些引力波，同時我們還會看到黑洞能夠摧毀中子星。

正如雷納·韋斯所說的，未來，我們希望能觀測到恆星在形成中子星的過程中爆炸，產生超新星。這將幫助我們去進一步觀測引力波、中微子以及電磁波，進而瞭解這個過程中的一些細節，以及超新星是如何誕生的。我們還可能看到理論假設的宇宙弦，像橡皮筋或琴絃一樣散佈在全宇宙中。它們可以被看成時空的缺陷，彈它們就像彈琴一樣，會發射引力波。當然除此之外，還會有更大的驚喜。

在未來15年甚至是20年的過程中，會有四種不同的引力波的窗口被打開。在LIGO，所能夠觀測到的引力波是在幾微秒的週期，LISA觀測的引力波的週期增加到幾分鐘到幾小時。PTA會進一步的增加到幾年甚至是幾十年。還有CMB，它會做一個極化的探測，是數億年的週期，這比一般研究人員的壽命還長，所以我們不去觀測變化，而是去看這個變化的影響在天空中的分佈。

這些窗口類比於X射線天文學，伽瑪射線天文學和輻射天文學，在未來15到20年中，這些不同的領域都將會是我們可以進行研究的新領域，這非常激動人心。有三個窗口是和LIGO不一樣的探測器。

首先是LISA，它是一個激光干涉空間天線，它在百萬公里的空間距離範圍內進行探測，使得我們能夠進行非常長週期的引力波的觀測，從幾分鐘到幾個小時，它們的波長是非常長的，進而大家能夠觀測到從巨型的星系中央黑洞發出的引力波，這是非常強烈的信號，可能比噪音要高於數萬倍甚至更多。這樣我們能夠了解到時空形狀的細節，而且精度會非常高。我和惠勒把它叫做幾何動力學。還有就是，當小的黑洞圍繞大的黑洞旋轉的時候，它會逐漸進入到大的黑洞中，LISA的觀測能夠幫助我們，像繪製火星地圖一樣，對這些空間進行完整的測繪。

再說PTA，它會探測在地球周圍的引力波，我下面講的嚴格上並不正確，但是接近事實。這些波在地球周邊，會放慢時間演化的速度，然後再增加速度，再放慢，再增加。射電天文學家會通過對不同天空中的脈衝星監測，非常精確的去探測他們的時間。如果所有這些脈衝星都一起加速、減速，加速、減速，這就是引力波的信號，因爲引力波影響了地球中所有鐘錶的時間。有了這樣的技術，我們可能會觀測到超大的黑洞併合，它的質量相當於數十億個太陽的質量。

最終，在未來的15年中，我們會開始去真正研究宇宙的誕生，以及其基本力的誕生，而這和所有的自然現象相關。最開始在宇宙還非常年輕的時候，是不存在電場和磁場這樣一個概念的，所以在當時，麥克斯韋方程是不存在的。但是到了10的負12次方秒時間段中，出現了電磁力還有弱相互作用區分，它們分開，然後就出現了電磁力，然後又出現了核力，核能。這個過程很可能以一階相變的方式達到。新生成的力是在類似於氣泡的地方存在的，而這些氣泡是內部存在電磁力的，外面沒有，而且它們也會不斷地擴張。氣泡撞擊時會產生非常強的引力波。宇宙在不斷膨脹的過程中，這些波的波長會不斷的變長，進入 LISA的探測波段。同樣，LIGO也能夠看到在10的負33秒中，發生類似相變產生的引力波。但我們並不知道那時的物理定律是什麼樣的，所以這也是需要我們去進行進一步探索的。

我們還希望在未來能夠去觀測到在宇宙最初產生的時候的引力波，也就是原初引力波。大爆炸時有一些引力波量子擾動產生，但極小。在宇宙大爆炸之後，我們會發現，引力波在暴漲過程中不斷地被放大。這個引力波與微波背景輻射作用，影響原初等離子體，在微波背景輻射電磁波的極化中留下了印記。宇宙學家們在研究和測量CMB，並且研究這個極化的過程。現在他們面臨的最大挑戰，把噪音是如何從信號中分離出來。我覺得，未來我們還需要5到10年的時間才能夠完全剝離出來這些噪音，看到非常單純的引力波。這一成果將讓我們瞭解到宇宙大爆炸還有暴漲共同的特徵。

最後，我想說，在四百年前，伽利略用望遠鏡仰望星空，發現了木星有衛星。兩年之前，也就是2015年，我們用LIGO檢測到了兩個黑洞碰撞產生的引力波，我們瞭解宇宙的方式正在不斷地發生變化，正在不斷地進步，我個人對人類四百年裡對宇宙的探索感到非常興奮。在這四百年間我們取得了如此大的進步。我也非常想知道，在下一個四百年，人類觀測宇宙、瞭解宇宙的方式會發生什麼樣的變化。