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| 本文作者： 知社学术圈 | 2016-05-27 18:57 | 专题：引力波：宇宙中的“时空涟漪” |
雷锋网按：本文来自知社巴特原创。
5月12日，已经75岁高龄的基普·索恩 (Kip Thorne) 拜访了美国查普曼大学，作了一场有趣的演讲。在加州理工讲了50年理论物理的索恩，其最大的乐趣就是和各个领域的艺术家合作，将他所了解的物理学广为传播。电影、绘画、诗歌、书籍，他样样不落。“我一直喜欢并致力于同艺术家合作，并努力通过艺术和音乐来传播科学的观念。想要展现科学，你有很多种方法。”
另外，身为LIGO引力波探测项目创始人之一，他又有着怎样独特的看法呢？
在索恩看来，“数学是一种终极的语言。在数学的基础上进行实际观测，我们就能知道自己是不是走在正确的轨道上。”
不过，无论索恩还是他的那些同事和伙伴——比如斯蒂芬·霍金和卡尔·萨根——他们都明白，如果仅凭数学去研究这黑暗而神秘的宇宙，进度将会非常缓慢。
“我们必须利用起直觉，跳跃性地猜测我们要研究的方向，”索恩说，“而这要靠视觉化进行展现，比如人工绘画，或者计算机作图。这是我们所用的重要工具，并非只是展示给非专业学者，这是数学之外的另一种语言。”而索恩正是精通这两种语言的男人。
“对我来说，科学是我的事业，而与艺术家们的合作是将科学的力量与美传达给大众的重要途径。我作为物理学家在加州理工已经工作了50年。从大众角度讲，我所从事的领域对于当今和未来的文化都非常重要。”
2014年，索恩作为执行制作人，帮助导演克里斯托弗·诺兰 (Christopher Nolan) 创作出脍炙人口的科幻电影《星际穿越》。然而这并不是索恩首次涉足影视，早在30多年前，卡尔·萨根就把索恩和电影制作人琳达·布斯特 (Lynda Obst)“撮合”到一起。1997年时，她曾参与制作科幻影片《接触》，其中用于时空穿越的虫洞理论就来自索恩的帮助。
当作为《星际穿越》的执行制作人时，索恩发挥的作用重要了很多。
他首先为电影设定了两条基本原则：一切都不能违反物理学定律；想象内容也需要良好的科学支持，不能凭空想象。
“导演对此的态度是，只要不妨碍制造一部精彩的影片，他都没有意见。”索恩介绍，“不过片中确实有几个地方从科学上讲有点夸张了，不至于讲不通，但发生的可能性确实不大。”
基普·索恩和导演克里斯托弗·诺兰
当时最大的分歧就是，诺兰想让宇宙飞船超越光速飞行，索恩的态度则是：别想。
“有时候我会说，‘我不认为这行得通，那肯定要严重地违反物理学定律。’”索恩回忆，“然后导演会这么说，‘去算一下是不是真的不行？’于是我跑去计算一番，回来告诉他：‘看来是我错了，这确实可行。’”
对于超光速的飞船来说，显然，计算结果很明确：不可能。不过索恩在此事上和诺兰争执了两三周，直到诺兰妥协。
由保罗·富兰克林 (Paul Franklin) 带队的视觉效果团队和索恩也有着密切的合作。在索恩的计算基础上，他们将那些基于爱因斯坦光传播理论的概念转化为真实具体的描绘，这包括《星际穿越》中的黑洞和虫洞等等。在索恩看来，片中的黑洞卡冈都亚 (Gargantua) 可谓最迷人、最令人信服的一个版本。当然，最精确的描绘还是得去找天体物理学家才能看到。
黑洞卡冈都亚，《星际穿越》
在那之后，索恩开创性地发表过两篇论文，一篇是写给天体物理学家的，一篇是写给电影制作人的，告诉他们要如何开发和使用这些需要把物理学和电影制作相结合的技术。
然而人类能否真的进行星际旅行呢？索恩是这样看的：
“我想这很可能实现，但至少要在三百年以后。那确实非常非常难。”
目前，索恩与查普曼大学美术教授利阿·哈洛伦 (Lia Halloran) 正在合力打造一本科普读物《The Warped Side Of Our Universe》，书中既有索恩的精湛文笔，又有哈洛伦的美妙绘画。
用索恩的话说：“这本书中包含着大量精美图画，利阿描绘了宇宙的方方面面，我负责配上诗歌，解释那些绘画背后的真实故事。我从没有想象过自己能够写诗，要知道我唯一写过的就是给妻子的一首情诗。这次创造完全是一种自然的反应。”
哈洛伦也介绍：“这就像是一种视觉上的反复。基普对我的绘画创作做出了很多贡献，而我也为他的写作提供一些建议。”
基普·索恩 (中)，利阿·哈洛伦 (右)
说到写作，索恩起初是以散文来陪衬哈洛伦的绘画。不过他发现自己那种短小精悍的风格看起来更像是诗歌，于是决定一试。在现场，索恩为大家朗读了他的诗歌片段。他竟然能够将那些复杂的科学理论转述为简洁有力的韵文，在场观众无不为之赞叹。
被吸入黑洞的幻想画，利阿·哈洛伦
今年2月，我们见证了LIGO发现引力波的新闻发布会，索恩就坐在其中。对于大多数人来说，引力波进入视野不过几个月的时间。而对于索恩来说，早在1984年，他就作为联合创始人开始为LIGO项目的启动而奔走。时隔三十余年，也就是2015年9月14日，那令人难以置信的消息终于传来。人们为之兴奋，但恐怕没有人能够真正体会到索恩的心情。
“当我们从70年代开始筹划引力波探测项目时，我就知道，这一天终究会到来。我曾经非常确定我们最先看到的将会是双黑洞的碰撞。回首过往的努力，我非常满足。”
在发现引力波的消息公布后，英国《观察家报》曾对索恩进行了采访，让我们看看这位老人家又是如何看待这一切的。
Q：首先，爱因斯坦的广义相对论到底是什么呢？
它是所有物理学定律的框架和准则，除了量子定律。有人可能会说：“这是爱因斯坦关于引力的理论”，实际上远不止如此。他创造这一理论是为了解释引力，但实际上这个理论的作用远远超出了预期。它告诉你自然界中所有其他定律是怎样被纳入时间与空间的。
对于经典领域来说，这是描述大自然的最精确的方法。那些微观世界的事情另当别论，比如分子和原子级别。
Q：爱因斯坦的理论与引力波有着什么关系呢？
爱因斯坦是在1905-1915年那段紧张工作的时期完成了他的相对论。理论的最终完成是在1915年11月，到今天刚好100年多一点。在那之后，他开始运用他创造的这些理论来思考与预测问题。他所做的最重要也是最后一个主要预言就是引力波的存在。1916年6月，他做出了这一预测，现在正好是一百周年。
爱因斯坦仔细思考了这一预测，审视了当时的技术条件，研究了宇宙中产生引力波的条件，最终得出判断，我们无法找到引力波。我们没有足够精确的技术进行探测。
然而他错了，去年9月，我们首次成功探测到了引力波。
Q：从爱因斯坦提出的预测到最近引力波的发现，期间引发这一突破的转折点是什么？
我想这其中有几个重要节点。最关键的两个转折点来自两个关键人物。首先是约瑟夫·韦伯，他在1960年左右设计出一个看起来能够捕捉到引力波的方法，并且开始努力寻找它们。他是第一个质疑爱因斯坦论断的人，认为我们可以实现探测引力波的技术。韦伯并没有见到引力波，他一度认为自己看到了引力波，但实际上并没有，真实的引力波比他设想的要更弱。但是他打破了这种“不可能”的观念，激励了很多人，其中就包括我。
第二个转折点是麻省理工学院莱纳·魏斯 (Rainer Weiss) 的发明。其想法的萌芽源于俄罗斯的 Mikhail Gertsenshtein 和 Vladislav Pustovoit。魏斯发明的这项技术正是我们目前所在用的，这不同于的韦伯的方法。我们称之为激光干涉仪引力波探测器。发明了这个技术后，魏斯分析了主要干扰因素，并给出了应对策略。1972年，他提出了供进一步设计的蓝图。这份蓝图已经经过了一些调整，是一个真正经得起时间考验的设计。
这是最大的转折点。
有趣的是，莱纳非常谦虚，他觉得在探测到引力波以前，他不应该在常规刊物上发表这些东西。所以他选择在麻省理工的内部报告上发表了他的文章，那是我所读过的最具技术含量的一篇硬货。
Q：既然引力波已经被探测到，那么下一步会是什么？
这仅仅是个开始。当伽利略把他的光学望远镜瞄向太空时，才开启了现代光学天文学，也打开了宇宙的第一扇电磁窗口：光。我们常用“窗口”这个词来描述寻找具有一定波长的辐射的那些技术。上世纪40年代，射电天文学诞生，人们开始寻找无线电波；60年代，X射线天文学诞生；70年代，伽马射线天文学诞生。红外线天文学也是在60年代出现的。
很快，我们就拥有了这么多扇不同的窗户，通过他们可以寻找不同波长的电磁波。通过射电望远镜和X射线望远镜来观察宇宙，其面貌与只用光来看有很大不同。而引力波天文学也意味着同样的事情。
Q：引力波会被用来探索宇宙吗？
这正是我们目前在LIGO做的事情。我们已经公布了关于双黑洞碰撞的发现。今后还会发现更多的现象。不过我们是通过具有一定振荡周期的引力波探测到这些现象，大概几毫秒的周期。在未来20年中，我们将触及那些周期达几个小时的引力波。
不过，通过那些在太空中运行的类似LIGO的探测器，我们很可能在未来5年内就看到震荡周期达几年的引力波，这需要涉及射电天文学中的脉冲星计时。
而在未来5到10年中，我们很可能会看到周期接近宇宙年龄的引力波，它们在太空中留下的印记就是我们所说的宇宙微波背景辐射。
在接下来的20年里，我们将打开四个不同的引力波窗口，分别探测一些不同的东西。我们会探测宇宙的起源，也就是所谓的“宇宙暴胀”；我们将研究基本作用力的诞生和发展，我们会通过引力波来检视它们在于宇宙之初的状态；我们还将探测更大的黑洞碰撞，观察星体是如何被黑洞撕碎的……
在未来的几百年，我们将看到各种以前从未见过的美妙事物。
现在，仅仅是个开始。
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