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《科学大家》对话诺奖得主:从引力波探测到科学研究

如果非要选出一个词来总结2017年的全球科学进展,我想很多人都会选“引力波”。自从2015年“激光干涉引力波天文台”(LIGO)宣布首次观测到引力波信号以来,关于新的引力波探测的好消息便接踵而来

2017年,LIGO首次探测到一种全新种类的引力波——来自双中子星合并的信号,而非之前所有探测案例中那样,都是双黑洞合并的信号。而更加激动人心的是,在引力波探测器检测到信号的几乎同时,光学波段的望远镜也观察到了相应的光学对应体。也就是说,人类首次在电磁波和引力波两个不同窗口上目睹了同一天文事件的发生——从此,人类打开了一个全新的窗口,天文学正式进入到“多信使天文学时代”。

在这样的冲击和震撼之下,毫无意外的,几位在LIGO建设和引力波探测方面贡献卓著的科学家被授予了2017年度的诺贝尔物理学奖,可谓实至名归。同时,今年由复旦大学颁发的“复旦-中植科学奖”也授予了这几位功勋卓越的美国科学家。

与中国的对话

12月19日,其中的两位获奖人,麻省理工的雷纳·韦斯(Rainer Weiss)教授和加州理工的基普·索恩(Kip Thorne)教授两人在北京参加了由“未来论坛”和北京师范大学联合主办的第36期“理解未来”科普讲座。现场还有北师大天文系副教授张帆,加州理工学院物理学教授陈雁北,未来论坛理事丁健,以及未来论坛发起人兼秘书长武红女士等人一同出席。

讲座期间,Rainer Weiss和Kip Thorne两位教授分别就引力波信号的探测原理和过程,最新进展等方面做了主题演讲。随后与北师大张帆教授等人以及现场的观众进行了现场对话交流。以下摘录部分对话精选,供读者参考:

一、论兴趣的重要性

在被问及如果有青少年想在未来投射科学研究,你对他们有什么建议时,两位教授不约而同强调了兴趣对一个人事业成功的重要性。

雷纳·韦斯教授分享了自己的故事,他的科学道路可谓一波三折。他从小就对各种电子设备感兴趣。作为德国移民的后代,他在纽约长大,中学时代的他喜欢到处买一些废弃电子器件,依靠自己修理组装收音机之类的电器。雷纳·韦斯教授现场回忆起自己小时候从路边“淘宝”的历程,以及自己复杂曲折的追求兴趣的经历。

他在高中时期就非常明确的知道自己的兴趣是电子设备方面,于是,为了追寻自己的兴趣,在麻省理工读大学时选择了电子工程专业,但很快他就发现这个专业的课程内容并非如自己原先设想的那样,失望之余该怎么办?雷纳·韦斯的答案是果断转去了物理系,原因很简单,因为物理系比较自由,他可以做任何自己想做的事情。

或许与很多人心目中学霸的形象很不同,雷纳·韦斯教授反复提到自己并非学霸,甚至属于“糟糕”的学生。在麻省理工求学期间,因为女友不给自己写信,于是逃课跑去芝加哥找女友去了,结果导致自己的课都没去上,出勤考核不及格,结果把成绩弄得很难看。

幸运的是,有名的原子钟研制专家杰罗德教授(Jerrold Zacharias)的实验室收留了他。杰罗德教授研制的铯原子钟现在已经成为时间的国际标准。在这里,雷纳·韦斯对于电子方面的熟悉和强大动手能力得到了锻炼,他为导师的团队制作各种原子钟使用的电子部件。也正是在这里,雷纳·韦斯第一次感觉到离爱因斯坦的理论很近:他的导师杰罗德教授想要研制更好的原子钟,以便对爱因斯坦红移效应进行检验。根据这一理论,处在不同引力场强度下的时钟,其时间将是不同的。因此,理论上,如果你的钟足够精准,那么放在山顶和山谷,其快慢将是不同的,因为它距离地球的中心距离有差异。

尽管最后这个实验没有成功,但这一经历引导雷纳·韦斯走上了引力的研究道路,为最终从事LIGO引力波的探测埋下伏笔。

相比之下,基普·索恩教授的故事要简单的多。他出生在犹他州一个小城的一个学术世家,他的父亲是教授,母亲也拥有博士学位。

小时候的索恩曾经梦想成为一名铲雪车司机,因为在小城的冬天,轰鸣而过的铲雪车显得特别有力量。但是在他8岁那年,他的母亲带他去听了一个关于太阳系的讲座,索恩一下子被吸引住了。慢慢的,随着读到的天文书越来越多,索恩对天文和物理的兴趣愈发浓厚,在高中时期就立下了要成为天文学家的梦想。

但即便今天成为了诺奖得主,当年索恩追求天文的道路也并非一帆风顺。在加州理工求学期间,索恩感到非常失落。因为原本在高中时期一直是学校里佼佼者的他到了大学发现自己原来是最笨的那一个,身边所有人都比他聪明,比他懂得多。于是索恩只能拼命学习,努力跟上周围人的节奏。最终,顺理成章的实现了理想,成为一名研究引力波理论的专家。

但是索恩教授也强调,他身边的科学家很少有像他这么一路走到底的,更多人是像雷纳·韦斯那样在中间经历过曲折迂回。但是不管如何,他们两人,以及许许多多其他成功的科学家,都是在自己兴趣的指引下走到今天的,也只有在兴趣的指引下,人们才能真正热爱自己的工作,才能真正做好自己的工作。正如基普·索恩教授所言:“不要害怕去探索,去做自己真正热爱的工作。”而雷纳·韦斯教授更是直白地指出:“如果从事科学工作不能让你感到愉悦,那么你或许不应该从事这一行。”

二、过度焦虑的家长

雷纳·韦斯教授进而谈到了今天在美国,很多家长望子成龙的心态膨胀,整体处于严重的焦虑状态,总希望让自己的孩子多学一点,从小考出最好的成绩,最好把所有该学的知识都学了,然后一路朝着成功狂奔。

他提到有些家长会因为学校老师给他们孩子的某门功课打了A-的等级而专门跑去学校和老师争论,指责老师这样做是在“毁掉”自己孩子的前程,断送了他们孩子上哈佛大学的顺风路。

雷纳·韦斯教授对此深恶痛绝,他说:“你怎么可能预知未来孩子们需要什么样的知识?你怎么知道什么才是对的?”他的观点是,人生是丰富的,有许多条路存在,应该让人生的经历去指引你,指引孩子。经历本身,包括失败的经历,都是我们最好的老师。

三、如何看待科学方面的重金奖励?

雷纳·韦斯教授坦率地对此表达了反对的意见。他强调,孩子对于科学的好奇心和热爱才是推动科学最重要的东西。他所担忧的是,孩子们不断因为自己的小小进步而获得物质上的奖励,他们会开始和其他孩子比较,慢慢地,他们不再能够感受到从事科学探索的那种乐趣。

有时候,为了科学奖项而不得不发生的竞争会伤害到孩子。获奖名额总是有限的,有些时候,孩子们做了非常好的实验,可是由于名额限制,没有得到奖励,孩子会觉得自己不够好,觉得失落。这是这种奖励最不好的一面,我们应该提醒孩子们,在探索科学的过程中,我们都度过了非常快乐的时光,这才是最重要的。

但韦斯和索恩两位教授在现场回答中也都没有否定科学奖的价值,指出这是对为社会做出重要贡献的科学家们的一种承认和褒奖。科学奖会造就某种意义上的“英雄”,但是在某种意义上讲,我们的社会或许也的确需要树立起这样的榜样。

索恩教授提到,他们并不期待获得诺奖,他们两人并非因为想得奖而努力工作,而是因为热爱自己的事业,因为对科学的好奇心而努力工作。他们也告诫年轻的科工作者们,不要将获奖设为自己的目标,而应该更加关注从事科学工作过程中的宝贵经历,去享受做出新发现时的愉悦。

四、有没有好的科幻作品推荐?

索恩教授表示自己小时候看过一些科幻小说,但是后来读书工作的时候发现,相比自己的同学和同事,自己实在太笨了。于是不得不中断了对科幻小说的阅读,转而集中精力到工作上。不过现在退休之后又可以把科幻小说重新捡起来了。

索恩提到自己非常喜欢两位美国科学小说家罗伯特·海因莱因(Robert A。 Heinlein)以及雷·布莱德伯里(Ray Bradbury)的作品。在索恩看来,所有科幻作品的背后都是科学,因此他本人并不太关心科幻,而更关心科学。他还透露继《星际穿越》之后,他正在参与制作另一部科幻大片,同样天文题材,也同样在背后有扎实科学原理的支撑,让人很是期待。

五、做科学,有时候需要“赌博”

韦斯教授首先强调他们非常幸运。因为做引力波研究本身是十分冒险的。这不仅是因为在他们开始研究测量引力波的时候,所需要的相关测量设备和技术很多根本还没有研究出来,他们所需要测量的信号又极其微弱,当时很多专家都认为这是永远都测不出来的。因此,在这样的情况下你要去申请经费,对方可能会觉得你是个疯子。

雪上加霜的是,即便花费巨资,耗费大量精力之后,所有相关技术和设备都到位了,你却根本不能确定自然界里究竟是否真的存在你要找的那种信号。因此当时有很多人都只是想做,但是都没有付诸行动。

可是索恩他们决定行动起来,因为他们知道引力波信号一旦被检测到,那将是震动世界的消息,因而是值得为此投入时间精力的。

让他们感到非常幸运的是,当时在美国国家自然科学基金会(NSF)正好有一位负责拨款的官员理查德·艾萨克森(Richard Isaacson),他曾经从事过引力波理论的研究,对这一问题有着深刻的理解和认识。

于是,艾萨克森大胆地力排众议,冒着巨大的风险对索恩他们主导的引力波探测计划提供了资金支持,因为艾萨克森意识到,这样做不仅符合国家自然科学基金会的利益,符合美国的利益,更符合科学发展的要求,他看到了索恩他们这项工作的重要价值,并认为值得为此放手一搏。

在艾萨克森等人的积极推动下,美国国家自然科学基金会对引力波探测项目提供了将近连续50年的有力支持。而在此期间,LIGO一直没能检测到引力波,所有的投资没有任何回报。但最终,在2015年引力波信号终于被LIGO首先检测到,轰动世界。证明了索恩他们的实力,同时也证明了艾萨克森等人为代表的美国国家自然科学基金会官员的远见卓识。

因此,韦斯教授建议,一个国家的科学拨款中应当专门留出一部分资金,专门用于资助那些存在较大风险的,具有很大不确定性,但是一旦成功,将有可能带来巨大回报的科学研究项目,这方面,引力波探测就是最好的例子——如果当初美国国家自然科学基金会以技术不成熟,太冒险为由拒绝为索恩他们提供拨款,今天的局面又将是如何呢?甚至即便有些项目最终失败了,它也将留下宝贵的经验和对后人的启发。因此,做科学,有时候就像是在赌博,你必须勇于尝试,不怕失败,才有可能取得大的突破。这不仅是对科学家说的,也是对科学研究资助机构说的。

六、今年美欧的两台引力波探测器同时探测到引力波信号有何意义?

韦斯教授认为这主要得益于提升信号源定位方面的帮助。2017年8月份,主要由意大利和法国两国主导建设的室女座引力波探测器(Virgo)和设在美国的LIGO引力波探测器共同探测到了同一个引力波信号。这样主要的好处在于能够大大提升对发出引力波来源的判断精度。由于LIGO包含有一南一北两台引力波探测器,所以南边的引力波探测器先探测到信号,我们就能大致知道引力波信号是从南半球天空中产生的,而现在增加了第三台探测装置,我们就能更加精准的框定来源方位。事实上,Virgo探测器的加入,让引力波信号源的定位误差从1000平方度一下子下降到了大约30平方度,极大地提升了定位精准度。

而同样是在2017年的8月份,LIGO首次检测到一次由两颗中子星合并产生的引力波信号,而这一次Virgo探测器却未能检测到。一个检测到,另一个未检测到,这一点表明这一信号应当来自Virgo探测器检测不敏感的天空区域,于是这就帮助天文学家们框定了天空中相当小的一块区域。

几乎同一时间,在太空中运行的费米望远镜检测到了一次伽马射线暴事件,并锁定了其大致源区。而当科学家们将两个区域重叠时,他们得到一个非常精确的天空位置。很快,地面上的光学波段望远镜迅速行动起来,并成功发现了一个新出现的光学天体。我们知道,正是在那里,发生了两颗中子星合并的事件并产生了强烈的引力波信号。紧接着,全球有超过60台望远镜加入了观测,覆盖从光学,到红外,到射电和X射线等各个电磁波段。通过对各个电磁波段的观测,再结合引力波观测,科学家们获得了前所未有的全新认识,一个全新的“多信使天文学时代”就此开启了。

七、引力波会和电磁波一样,对我们的实际生活产生巨大影响吗?

索恩教授的回答简单明了:在未来100年内绝对不会有什么影响,或许在未来几百年内都不会有什么影响。如果非要说有什么应用价值的话,那或许就是它极好的穿透性。如果你要让一个信号穿过地球,或许可以考虑引力波。不过实际上中微子或许是更好的选择。但如果不是出于这个原因,索恩教授认为很难理解为何人类要运用引力波,因为电磁波的产生和接收要容易得多,而相比之下,索恩教授不认为人类在未来至少50年内能够掌握产生和接收引力波的通讯手段。

而韦斯教授的回答一如既往的一针见血。他建议听众们完全不要听信任何与引力波通讯之类有关的话题,因为那些都完全是胡言乱语,他完全不相信这是可能的。

八、引力波探测补上了爱因斯坦相对论的最后一块拼图?

索恩教授表示,这当然是对爱因斯坦一个预言的直接验证,但他并不确定也并不关心这是否是所谓“最后一块拼图”,因为这“不有趣”。他认为,真正有趣的,真正应当去关心的是引力波的直接探测对于宇宙的研究究竟意味着什么。他表示,如果这项工作的目的仅仅是检验爱因斯坦的额理论,那么他绝不会为此投入那么多的时间和精力。引力波信号的检测打开了我们观察宇宙的全新窗口,这一点远比检验爱因斯坦的理论来得重要。

韦斯教授回忆起2015年9月份LIGO首次检测到引力波信号时的场景。他们发现探测器检测到的引力波信号模式与理论模型预测的信号模式基本是完全吻合的。他表示,这是人类智慧的胜利,也是爱因斯坦的胜利。引力波信号的直接检测是一个全新的领域,而爱因斯坦在100多年前给出的预测,与大自然在2015年向我们呈现的模式竟然是完全吻合的!

九、如果用一个词来描述刚刚过去的2017年,你会用哪个词?

索恩教授选的是“恐慌”(frightening),当然这不是指科学,而是指特朗普的上台。而韦斯教授也有同感。他提到2017年在美国出现了一场危机(crisis),并对特朗普政府的科学政策表达了直截了当的强烈批评,认为在特朗普政府眼中,科学已经不再是重要的了。他认为这是一个大问题。

十、引力波的探测会让时空旅行变为现实吗?

索恩教授的回答是:NO。引力波的探测不会有助于我们实现时空旅行。他认为要想真正理解时空旅行是否可行,人类需要最终理解量子引力理论,也就是将量子力学与引力理论统一起来。而在那之前,索恩教授认为我们将难以对时空旅行是否可行这一问题作出判断。

十一、说一说新一年的展望

韦斯教授指出,过去的几年里引力波天文学领域取得了突破性进展,发现了很多新的黑洞,人类首次发现了双黑洞系统,另外在2017年还首次检测到双中子星系统,这些都开启了全新的科学。

展望未来,韦斯教授期待取得更多的新发现。比如说,确定这些黑洞究竟是从何而来的?我们还将不断揭开一些新现象背后的奥秘,还有些现象我们只是知道现象而已,却不知道其背后的机制。比如说双中子星系统。人们猜测存在着这样的系统,但这是我们首次真正观测到其存在。另外理论学家预测双中子星合并事件可能是产生宇宙中伽马射线暴的来源,而这次终于得到了证实。

另外,我们现在终于可以比较有把握的说,宇宙中相当大一部分的重元素是在双中子星合并事件中产生的。这一情况此前就已经有理论预言,但这次也是首次得到了观测证实。

但我们还不清楚超新星爆发时的恒星内部情况,但引力波将有望比其他任何手段都更加有效地帮助我们做这样的观测。诸如此类,引力波探测将打开一扇全新的窗口,让我们以一种前所未有的全新视角去看待宇宙和各类现象。

所索恩教授则强调了新一年里必须脚踏实地继续前进,不断致力于改善包括LIGO在内世界各国引力波探测装置的技术水平和灵敏度,以期待更多,更大的新发现。

正如韦斯教授所言:“引力波天文学前景光明,而我们非常荣幸能够成为其中的一员。”

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