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基普·索恩:主導(dǎo)LIGO探測引力波 開啟物理新紀(jì)元

 牛人的尾巴 2016-02-13
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圖說:LIGO項目的重要成員,左一為基普·索恩 [保存到相冊]

  美國東部時間2月11日上午,華盛頓全國新聞中心,響起了長久的歡呼。

  美國國家科學(xué)基金會與來自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及科學(xué)合作組織“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)的科學(xué)家共同宣布:LIGO于去年9月14日首次探測到引力波,證實了愛因斯坦100年前所做的預(yù)測,彌補了廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的拼圖。

  科學(xué)界有這樣一個形象比喻:人類探測到引力波,如同一個失聰?shù)娜送蝗猾@得聽覺,從此獲得感知世界的新能力。

  在發(fā)現(xiàn)引力波的LIGO背后,隱藏著一位傳奇人物:基普·索恩(Kip Thorne)。

  1980年代,作為加州理工學(xué)院的費曼理論物理教授,他和來自麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授雷納·韋斯(Rainer Weiss)以及加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授羅納德·德雷弗(Ronald Drever)共同提出用激光干涉來探測引力波。

  “通過這項發(fā)現(xiàn),人類開啟了一場波瀾壯闊的新征程:一場對于探索宇宙那彎曲的一面——通過彎曲時空而產(chǎn)生的事物和現(xiàn)象——的征程?!彼鞫髡f。

  LIGO主導(dǎo)者:“就在(公布)幾天前,我還瞞著妻子”

  北京時間2015年9月14日下午5:51分,分別位于美國路易斯安那州列文斯頓和華盛頓州漢福德的激光干涉引力波觀測臺的一對探測器,探測到了引力波。

  廣義相對論中預(yù)言,引力波可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸中。一旦發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時期的引力波,人類就可以揭開宇宙的各種謎團,甚至了解宇宙的開端和運行機制。

  實際上,有關(guān)LIGO發(fā)現(xiàn)引力波的傳言已在物理學(xué)界傳播了幾個月,不過,傳言一直未獲得LIGO證實。

  在2月11日的發(fā)布會上,LIGO項目組科學(xué)家稱,他們花了幾個月的時間進行驗證,這也是為什么2015年9月探測到引力波信號,卻拖到本月才宣布的主要原因。

  項目的主導(dǎo)者之一基普·索恩告訴媒體,“就在(公布)幾天前,我還瞞著妻子”。

  2014年11月,在接受《洛杉磯時報》采訪時,索恩曾總結(jié)自己的職業(yè)生涯,“我之前有很多不好的流言,所以我的大部分職業(yè)生涯是在努力工作證明自己足夠優(yōu)秀?!?/p>

  他穿著黑色皮夾克和牛仔褲,輕松隨意地聊著工作了半個世紀(jì)的加州理工學(xué)院,“那里的環(huán)境有點輕浮,但是個很好的講述之地?!?/p>

  索恩是一個很好的講述者和天生的老師。他會和朋友講述1970年代和好友斯蒂芬·霍金打賭的故事,下一刻,他就在解釋地球重力怎么在緩慢的影響iPhone的GPS系統(tǒng)。

  那時,索恩和斯蒂芬·霍金對天鵝座X-1的天體身份打賭,后者對其天體身份表示懷疑。兩人立下字據(jù),霍金以1年的《閣樓》雜志賭索恩4年的《私家偵探》。后期,天鵝座X-1被證實,霍金到南加州大學(xué)演講,當(dāng)時索恩人在莫斯科,于是霍金大張旗鼓地闖入索恩的辦公室,把當(dāng)年的賭據(jù)翻出來印上拇指印表示認(rèn)輸。

  索恩對埃隆·馬斯克的Space X火箭項目贊賞有加,認(rèn)為其比政府工程更便宜和靈活,“送人上太空具有文化意義上的重要性,那才是真正的正當(dāng)理由?!?/p>

  1980年代,麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯教授想到了用激光的干涉來測量引力波的方法。這個點子后來受到了索恩的關(guān)注。他發(fā)現(xiàn)在韋斯的方法上加些合理的改進,可能行得通。

  于是,加州理工和麻省理工開展合作,主導(dǎo)了兩個激光干涉引力波觀測臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,縮寫為LIGO)的建設(shè)。

  LIGO項目的執(zhí)行總監(jiān)雷茲曾表示,“沒有索恩,就不會存在LIGO項目”,“這個項目是索恩視野、激情和推動力的明證。他有這個能力讓整個科學(xué)共同體相信發(fā)現(xiàn)引力波不僅是存在可能性,而且是可以達成的”。

  雷納·韋斯知道,1990年,LIGO從國家自然科學(xué)基金會獲得全尺寸的探測器時,索恩發(fā)揮了關(guān)鍵的作用,而LIGO也成為美國自然科學(xué)基金會資助力度最大的一個項目。

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圖說:LIGO外觀 [保存到相冊]

  物理學(xué)講述者:指導(dǎo)《星際穿越》與《超時空接觸》

  1940年,基普·索恩出生于美國猶他州洛根市,父親是猶他州立大學(xué)的一名農(nóng)學(xué)教授,母親則是知名的經(jīng)濟學(xué)家。在學(xué)術(shù)環(huán)境下長大,他的四名兄弟姐妹中的兩名,都已經(jīng)成為大學(xué)教授。

  小時候,索恩的夢想是成為一名掃雪車司機?!霸诼浠较麻L大,這是一份你能想到的最榮耀的工作?!?/p>

  8歲時,哥哥帶他去參加一場關(guān)于太陽系的講座,從此,索恩被物理學(xué)深深吸引。

  索恩年輕時就在學(xué)術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)非凡,成為加州理工學(xué)院歷史上最年輕的全職教授之一。1962年,他在加州理工學(xué)院獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位,并于1965年在普林斯頓大學(xué)獲得理學(xué)博士學(xué)位。兩年后,他回到加州理工學(xué)院,成為一名教授物理學(xué)的副教授。1970年,他晉升為理論物理學(xué)教授。

  多年來,索恩一直扮演著眾多前沿理論學(xué)者的導(dǎo)師和論文指導(dǎo)者的角色,這些人目前都活躍在廣義相對論的觀測、實驗和天體物理學(xué)等領(lǐng)域,大約50人在他的個人指導(dǎo)下,獲得加州理工學(xué)院的博士學(xué)位

  索恩的父母是摩門教信徒,他在信仰的熏陶中長大,他現(xiàn)在是一名無神論者。

  他曾說,很多優(yōu)秀的同事是虔誠的信仰上帝的教徒,“科學(xué)和宗教之間并沒有本質(zhì)上的沖突,我只不過恰好不信仰上帝?!?/p>

  與其他科學(xué)家不同的是,索恩是一名很好的講述者。他更善于向他人展示在引力物理和天體物理學(xué)領(lǐng)域的一些發(fā)現(xiàn),并強調(diào)這些發(fā)現(xiàn)令人興奮并且重要之處,不僅是面向?qū)W術(shù)界,同時也面向大眾。

  美國的PBS和英國的BBC都播放過索恩關(guān)于黑洞、引力波、相對論、時間旅行以及蟲洞等主題的公眾演講節(jié)目。

  1999年,索恩對“21世紀(jì)人類將會對哪些問題找到答案”做了推測,其中就包括:我們能否觀察宇宙的誕生和他的黑暗面,通過使用時空扭曲造成的擴散,也就是引力波。

  2009年6月,他辭去費曼教授職務(wù)去追求寫作和電影事業(yè),他的第一部電影就是和諾蘭合作的《星際穿越》。“我很享受這個過程,我正處在想做一些新事情的人生階段。”

  在《星際穿越》之前,他和好萊塢曾有過一次交集。那是在1980年代中期,他建議卡爾·薩根(已故的美國著名天文學(xué)家和物理家)在電影《超時空接觸》中用蟲洞代替黑洞,作為空間中從一點到另一點的方式。

  《洛杉磯時報》在報道中假設(shè),如果科幻電影和電視劇每次使用蟲洞作為情節(jié)設(shè)計,索恩都能收到一份報酬的話,那么他將是一個更富有的人。

  談及進軍電影,索恩說,我無法想象自己不試圖學(xué)習(xí)或創(chuàng)造東西,這是生命的本質(zhì)。

  科學(xué)預(yù)言者:曾預(yù)計十年內(nèi)人類會發(fā)現(xiàn)引力波

  2014年,因為熱門電影《星際穿越》,基普·索恩曾成為公眾輿論關(guān)注的焦點。

  作為電影的科學(xué)顧問,影片中瑰麗炫目的黑洞、蟲洞,正是來源于他的設(shè)想。

  2009年快退休時,他和制片人琳達·奧布斯特就在談?wù)撘灰谱饕徊可婕昂诙磁c蟲洞神秘性質(zhì)的電影。

  不久之后,史蒂文·斯皮爾伯格簽約導(dǎo)演這部影片,之后又退出,該片成了編劇喬納森·諾蘭以及其兄克里斯托弗·諾蘭一手打造的科幻巨片。

  在克里斯托弗·諾蘭重寫他弟弟的劇本的同時,他想弄明白這個故事核心里的科學(xué)內(nèi)容,便力邀索恩加入創(chuàng)作團隊。

  影片中黑板上那一連串的公式,是索恩親自書寫,導(dǎo)演要求索恩能使他們的特效軟件反映出符合物理規(guī)律的真實世界。

  那時,他預(yù)計人類會在10年之內(nèi)首次實現(xiàn)對引力波的觀測,因此他在電影《星際穿越》的設(shè)定中,把發(fā)現(xiàn)蟲洞的時間安排在了2019年。

  然而,現(xiàn)實比預(yù)測提早了3年。

  電影上映后,索恩知道自己會遭到很多科學(xué)家同行的批評。

  “一名接觸的同事走出星際穿越的影廳然后說,我很喜歡這部電影,但是關(guān)于里面的科學(xué)我可以挑出很多錯誤。”索恩聳了聳肩。

  “我已經(jīng)74了,我的工作已經(jīng)半個世紀(jì)了,而且十分享受,我對于批評已經(jīng)不再特別敏感了。”

  其實在《星際穿越》的劇本初稿中,曾設(shè)定人類在觀測引力波時意外發(fā)現(xiàn)了蟲洞。

  但諾蘭兄弟在修改劇本的時候,不得不對影片中的科學(xué)信息有所刪減,不至于讓觀眾在觀看電影的時候“燒腦”得太過火候。

  索恩曾對此情節(jié)的刪改表示遺憾,“到目前為止,人類對時空彎曲還不甚了解,幾乎沒有相關(guān)的實驗和觀測數(shù)據(jù)。”

  “這就是為什么引力波尤其重要的原因:引力波源自于空間的彎曲,所以它們是探索宇宙彎曲的理想工具。”

  在《星際穿越》大獲成功之后,索恩并沒有覺得電影會是他未來的主要事業(yè)。他列出了未來自己要做的一系列工作,包括研究引力波、寫科幻小說、與妻子一起深潛和滑雪。

  沒想到,僅僅一年多之后,他就完成了其中最重要的目標(biāo)。

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