3天前,我们第一次宣布直接探测到引力波的存在。而这,是你广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。
在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒,这正是由引力波转化成的宇宙之声。
按照你的理论,这个声音源自于13亿年前一个双黑洞的碰撞,那时“多细胞生物才开始在地球上扩散”。
经过13亿年的漫长旅行,这个时空涟漪于2015年9月14日抵达地球,被我们的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。
首先,要感谢你的成就。因为我们费尽周折找到的确凿证据,只是证实了你的预言。
其次,则是我们的成就。这个成就始于你,连接于我们——这是一种新的、广阔的人类意识,即前人可以形成一个超越当时实验能力的概念,后人执着于发明工具,证明其有效性、且不计成败。
多年以后,面对浩瀚星海,远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日,人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。
就像现在,我们回想起你100年前的预言一样激动。
——100年后的人类
雷纳·韦斯
麻省理工学院 物理学教授 LIGO联合创办者
探测引力波40年,
最难的是“搞钱”
很难想象,40年前,LIGO(引力波探测器)仅仅是韦斯教授设计的一堂课堂练习。
按照年龄来说,韦斯是LIGO项目当之无愧的老爷爷,更是该项目的带头人。正是他率先提出了使用激光探测引力波这一想法。
韦斯1932年9月29日出生于德国柏林,父亲是位医生。因出生于动乱时代,刚出生后不久,他便随父母奔波到异国他乡,在捷克斯洛伐克居住数年后,于1939年全家搬至美国纽约。
在纽约的私立学校哥伦比亚文法学校毕业后,韦斯考上了麻省理工学院。当时韦斯十分想成为一名电子工程师,高中时代的他甚至曾做过高保真音响领域的生意。在一次接受采访时,韦斯坦言,“如果我当时没有上大学,而是继续做那门生意,那我现在肯定很富有。”
进入麻省理工学院后,韦斯很快意识到,自己其实对工程师并非真正感兴趣,随后改专业学习物理。谈及理由,韦斯说,“那是因为相比其他系而言,物理系的要求最少,而我最不愿意受管制。”
然而没过多久,韦斯就犯下错误。因为喜欢上一位女孩,他甚至不惜退学,追随她至芝加哥。女孩是位钢琴家,事情的结果可想而知,女孩和别人远走高飞。无处可去的韦斯又因此折返回麻省理工学院。
但已然退学的他,无法再做回该校学生,只能另谋出路。韦斯想到了一个办法,他走进物理系的众多实验室中进行自我推销,终于在一位教授杰若德(Jerrold Zacharias)的手下谋得了一份技术工的工作,帮助他进行高精度原子束实验,并最终研发出铯原子钟。而后,凭借自己在Jerrold手下的研究成果及努力,韦斯终于顺利进入了麻省理工学院的研究生院学习,也在这一期间结婚生子。
毕业后的韦斯先后到其他两所院校担任教师,而后于1964年重回麻省理工,担任物理学教授。1967年,当时的物理学教务主任要求韦斯设计一门广义相对论课程。在那时,广义相对论已被纳入数学系的研究领域。虽然是引力理论,但绝大多数人也认为它与物理学没有什么关系。
对广义相对论的了解程度屈指可数的韦斯,无奈只能硬着头皮上阵。他自学该理论,并将自己领先于学生一两天或者一周的知识传授于学生,就这样跌跌撞撞一步步成长起来。韦斯事后回忆称,“当时的学生们都很棒,他们看出了我的笨拙,但并不在意。”而且学生们还因此对广义相对论也产生了希望更多了解的兴趣。
在花费了一整个夏天研究自己的想法后,韦斯提出了使用激光来探测引力波的想法。理论加实干,韦斯很快从电子研究实验室(The Research Laboratory of Electronics,RLE)获得了美国军方资金制造1.5米长的原型探测器。但不久后由于越南战争和《曼斯菲尔的修正案》,他和团队突然失去了所有科研经费。
然而韦斯并没有放弃,他转而向其他政府和私营机构申请资助,以继续研究。除了在美国宇航局(Nasa)获得部分资金外,韦斯向美国国家科学基金会(NSF)的资助申请迟迟未能获得批准。
机缘巧合的情况下,韦斯认识了加州理工物理学家基普·索恩(Kip Thorne),并很快成为志同道合的朋友。自此之后,加州理工和麻省理工开展合作,主导了两个激光干涉引力波天文台的建设。
其实不仅仅是资金,韦斯还遇到了其他令人头疼的困难,包括引力波干涉探测器地址的选择,以及组建整个科研团队。1992年,LIGO项目最终获得美国国家科学基金会批准的第一笔资金援助,该项目也成为该基金会迄今为止资助力度最大的一个项目。时隔40多年后,韦斯的坚持终于获得回报。本组稿件综合新华社、参考消息、中国日报等
基普·索恩
加州理工学院 物理学教授 LIGO主导者
没想到,
现实比剧情早4年
美国东部时间2月11日上午,华盛顿全国新闻中心,响起了长久的欢呼。项目的主导者基普·索恩告诉媒体,“就在(公布)几天前,我还瞒着妻子”。
在接受《洛杉矶时报》采访时,索恩曾总结自己的职业生涯,“我之前有很多不好的流言,所以我的大部分职业生涯是在努力工作证明自己足够优秀。”他穿着黑色皮夹克和牛仔裤,轻松随意地聊着工作了半个世纪的加州理工学院,“那里的环境有点轻浮,但是个很好的讲述之地。”
1940年,基普·索恩出生于美国犹他州洛根市,父亲是犹他州州立大学的一名农学教授,母亲则是知名的经济学家。在学术环境下长大,他的四名兄弟姐妹中的两名,都已经成为大学教授。
小时候,索恩的梦想是成为一名扫雪车司机。“在落基山下长大,这是一份你能想到的最荣耀的工作。”
8岁时,哥哥带他去参加一场关于太阳系的讲座,从此,索恩被物理学深深吸引。
索恩年轻时就在学术领域表现非凡,成为加州理工学院历史上最年轻的全职教授之一。1962年,他在加州理工学院获得理学学士学位,并于1965年在普林斯顿大学获得理学博士学位。两年后,他回到加州理工学院,成为一名教授物理学的副教授。1970年,他晋升为理论物理学教授。
与其他科学家不同的是,索恩是一名很好的讲述者。他更善于向他人展示在引力物理和天体物理学领域的一些发现,并强调这些发现令人兴奋并且重要之处,不仅是面向学术界,同时也面向大众。
美国的PBS和英国的BBC都播放过索恩关于黑洞、引力波、相对论、时间旅行以及虫洞等主题的公众演讲节目。2009年6月,他辞去费曼教授职务去追求写作和电影事业,他的第一部电影就是和诺兰合作的《星际穿越》。“我很享受这个过程,我正处在想做一些新事情的人生阶段。”
2014年,因为热门电影《星际穿越》,索恩曾成为公众舆论关注的焦点。
作为电影的科学顾问,影片中瑰丽炫目的黑洞、虫洞,正是来源于他的设想。
影片中黑板上那一连串的公式,是索恩亲自书写,导演要求索恩能使他们的特效软件反映出符合物理规律的真实世界。
那时,他预计人类会在10年之内首次实现对引力波的观测,因此他在电影《星际穿越》的设定中,把发现虫洞的时间安排在了2019年。然而,现实比预测提早了4年。
专访
物理学合伙人
麻省理工学院新闻办公室对LIGO创始人韦斯教授进行了专访,他讲述了LIGO的历史,以及他们如何用了四十年时间去证明爱因斯坦是正确的。
问:LIGO从何而来?
答: 当我们准备开始寻找引力波时,人类已经在技术和知识方面做好了准备。
一个夏天,我坐在被称为“胶合板宫殿”、位于瓦萨大街20号楼的一个小房间内,花了一整个夏天研究我向学生们提出的想法,我想到了激光,我们是否真能用它来探测引力波?答案是肯定的,激光绝对是一种有力的验证手段!
问:您如何做到理论到实践?
答:当时,没有人认真从事引力波干涉的研究,虽然后来我也得知,某些人也有过此想法。正当在考虑下一步该做些什么的时候,就被美国国家科学基金会邀请去审议我的提案。看到我的提案后,他们决定改变思路,并打电话给我!
1975年,我结识了基普·索恩。因为他没订酒店,我便让他住我的房间。我向他介绍了自己的研究进展,基普当即表示很有兴趣合作。这次谈话后,麻省理工学院和加州理工学院正式联手,于是便有了后来的LIGO。
问:这一发现对你有多重要?
答:对我而言,这是一个有着复杂历史事件的收尾。广义相对论的场方程及其历史一直以来都是很复杂。突然间,我们有了一些可以抓住的东西,并可以说:“爱因斯坦是对的,这是多么了不起的洞察力和直觉。”
中国本土引力波探测工程
“天琴计划”正在立项
记者12日从广州中山大学了解到,中国本土重大引力波探测工程“天琴计划”已经于2015年7月份正式启动,部分关键技术研究已有具体进展,目前正在立项中。
据介绍,中山大学“天琴计划”是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。
根据此前的设想,“天琴计划”主要将分四阶段实施。完成全部四个子计划,大约需要二十年的时间,投资大约150亿元人民币。
此外,LIGO成功探测到引力波,背后有十多个国家、千余名研究人员的艰辛付出。其中,中国清华大学的科研团队以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号,加速了迈向星辰大海的征程。