2017年11月3日 星期
《引力波》
2017诺贝尔物理学奖获奖团队的故事
LIGO项目的巨型装置,目的只是为了探测引力波

  2017年诺贝尔物理学奖授予了三位美国科学家,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。

  LIGO探测到引力波,堪称是近百年来最重要的天文学发现。当LIGO第一次宣布探测到引力波时,哥伦比亚大学天文学教授珍娜·莱文就跑遍LIGO的天文台,采访LIGO的核心成员,写成《引力波》一书,再现50多年来LIGO科学合作组织的科研人员在此过程中面临的困难、经受的考验和付出的艰辛。

  A 我们听到14亿光年前的声音

  作者珍娜·莱文一直致力于黑洞、宇宙的额外维度、时空与引力波的研究,出版过《宇宙溯源》《图灵机狂人梦》等着作,还在2012年获得了古根海姆奖。因为出自一个天文学家之手,这本书里关于引力波的科普可以说是最权威的。

  去年2月11日,人们还沉浸在春节长假的喜庆气氛中,很多人的朋友圈就被引力波的消息刷屏了,因为LIGO团队宣布成功地探测到了引力波。

  14亿光年前的声音,在这一刻被我们听到。

  几十亿年前,两颗巨大的恒星沿着轨道绕对方运行。随后,它们相继死亡,形成两个黑洞,在一望无际的黑暗中继续绕对方旋转。几十亿年的时间里,它们保持旋转,并不断靠近,直到在14亿光年前,发生碰撞,合并在一起。在碰撞前200毫秒里,它们朝宇宙发射出极其强大的引力波,在时空中荡起层层涟漪。

  这段引力波,是它们来过,存在过,毁灭过的证据。

  1916年,阿尔伯特·爱因斯坦在一篇关于广义相对论的论文中预言了引力波的存在。

  2015年9月和2016年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)两次成功探测到引力波,证实了100年前爱因斯坦的预言。

  B 更像一部非虚构纪录片

  LIGO是幸运的,一曲蓝调跨越14亿光年不期而至,仅仅8分钟交互后又擦肩而过,如同冥冥之中注定的缘分。

  大多数人都把鲜花和掌声献给聚光灯下光芒璀璨的明星学者,很少有人会在意,这辉煌成就背后的故事。这其中,有生命的渺小,有宇宙的浩瀚,有时光的飞逝,更有一代又一代科学家为了科学事业前赴后继,献上一生的心力和才学。

  《引力波》最大的亮点,是作者描写的那些故事。

  这本书更像一部非虚构纪录片,记录了50年来,天才的天文学家们如何克服种种困难,最终搭建起这个项目,并且成功探测到引力波的故事。

  《引力波》一开篇就像是电影的开始,从主角的童年开始说起。那些在引力波项目中做出卓绝贡献的人们,大多在二战中经历了百样人生。

  故事的开始就是他们的童年,童年的经历往往会影响成年后人们的观点。那个年代的大多数人都形成了一种反战的态度。长大后,他们成了世界名校里的青年学生,开始寻找自己的方向,他们在爱因斯坦的相对论中找到了灵感,把探测引力波当成了自己的终身目标。

  引力波探测本来只是一个有意思的思想实验,但引起了雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什的注意。为了把梦想变成现实,他们组建了一支规模达数百人的国际性研究团队,建造了两台灵敏度非常高的巨型探测器。

  这部关于引力波的编年史,再现了50多年来,LIGO科学合作组织的科研人员在此过程中面临的困难、经受的考验和付出的艰辛。

  C 不回避不和谐的瞬间

  《引力波》为读者还原了引力波的探测过程,其中也不乏科学家们之间的竞争。

  其实,类似引力波这样的项目在美国的生存也非常艰难。因此,这个项目的推进并不像我们想象的那么顺利,甚至可以说是非常不顺利。中间几度面临资金短缺、团队失和,几乎面临失败。

  科学家的生活也并不像我们想的那样,光鲜亮丽。为了保证项目的推进,许多事情都需要亲力亲为。像雷纳·韦斯这样的MIT荣休教授,在LIGO项目中,经常自己在真空管道中赶老鼠,赶虫子,做清洁工这样的工作。而基普·索恩也用他天才的头脑经常承担团队中“居委会大妈”的角色,是团队中的润滑剂。在无数次的挫折、彷徨和自我怀疑以后,科学英雄们凭借着对人类纯粹理性的执着,走到了答案即将揭晓的最后一刻。这就是科学家的真实生活,然而,就是在一点一滴的平凡中,照见伟大。

  作者在写作的时候,并不回避这些不和谐的瞬间,而是把这一切都写出来,整个故事读来让人觉得真实。

  1989年,LIGO向美国国家科学基金会提交的一份报告中,引用了马基雅维利《君主论》中的一句话:“没有比引领新事物的秩序更难把握、更冒险和更不确定的了。”

  作者预言,在远长于人类既有历史的遥远未来,宇宙中的恒星都将死亡,一些恒星会坍缩成黑洞。宇宙万物都会被吸进黑洞。

  这本书让我们了解科学家为了这项事业做出的努力和牺牲。了解意味着睁开一只眼看向遥远的未来。

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  这本书恰到好处地用浅显易懂的语言告诉了我们一件事:引力波是什么?说白了,引力波就是14亿年前在离地球非常遥远的地方,有两个黑洞发生了碰撞,在碰撞后发生了合并。在这种合并的过程中,黑洞周围的空间发生了震荡,从而产生了引力波。

  说难也不难,我们都可以想象,两个物体的碰撞自然会产生一种力,但是在宇宙中,这种力还能形成一种波,一圈一圈向外传播。因为路途遥远,他们传播到地球上时已经是14亿年后了,而且幸运的是(其实书中内容告诉我们这不只是幸运),在引力波传播到地球上的那一刻,被人类的科学家捕捉到了。

  详细一点说,引力波起源于宇宙的某个地方,两个黑洞发生了碰撞。 碰撞之后,这两个黑洞合并到一起,形成了一个更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙诞生之后威力最大的一个现象,释放出的能量超过1021 个太阳。碰撞发生时一片黑暗,爆炸产生的所有能量都不会以光的形式逸出,所以用任何望远镜都无法观察到。

  黑洞合并时,无数能量以纯引力,也就是引力波的形式,不停地向四周传播,时空受到扰动而泛起涟漪。但是,即使有宇航员正好在附近,他也不会看见任何异常现象。不过,他所在的空间会发生铃振现象,对他挤压、拉伸,使他的身形发生变化。如果靠得足够近,他的听觉器官会随之振动,也就是说,他可以“听见”引力波。

  但实际上,没有人听过引力波的声音,也没有任何仪器留下清楚无误的记录。虽然引力波以光速传播,但是从碰撞点传播到地球可能需要10 亿年的时间。在到达地球之前,黑洞碰撞发出的声音已经非常微弱了,以至于用语言根本无法形容,如此微弱的声音我们肯定难以察觉。在引力波抵达地球时,空间的鸣响会引起距离的相对变化,在相当于三个地球并排的跨度上位移一个原子核的宽度。

  探测到引力波对于我们来说意味着什么?这种科研并不是一种可以立即生效的研究,但是却关乎人类的长远利益。我们在地球上的空间越来越少,资源越来越紧缺,探索宇宙将会是未来的趋势。在引力波还没有被探测到时,它就频频出现在科幻作品中。在《三体》里,它是罗辑敲诈三体人为地球人赢得生机的大杀器。在《星际穿越》中,它是库伯和女儿跨越时空传递信息的介质。

  在未来,引力波又会给我们带来什么?尽管现在我们还无法断言,但它一定是非常重要的。

  (本报综合)

2017年11月3日 星期

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