基普·索恩：捕捉“時空的漣漪”

尹傳紅

作為當今世界研究廣義相對論下天體物理學領域的領導者之一，基普·索恩長期致力于宇宙時空彎曲的研究，創建了全球知名的LIGO項目，為研發新一代引力波探測器技術作出了重要貢獻。

生長于美國猶他州洛根市落基山下的基普·索恩，打小就對鏟雪車情有獨鐘。他曾夢想長大后能夠成為一名鏟雪車司機—那是當時他所想到的最榮耀的一份工作了。

然而8歲那年，當索恩那位擁有經濟學博士學位的母親帶他去聽了一場天文學講座后，他的志向就發生了巨大的轉變—對天體物理學產生了濃厚的興趣。那天一回到家里，他就聽從母親的建議，自己動手做了一個太陽系的模型。

1958年秋，索恩進入了走在物理學研究前沿的加州理工學院。4年后，他又去往普林斯頓大學，師從“美國物理學之父”約翰·惠勒，攻讀博士學位。由此他步入黑洞與量子力學的研究行列，并在30歲時成了加州理工學院歷史上最年輕的正教授，也是研究廣義相對論的第一代物理學家。

惠勒最為世人熟知的成就是創造了“黑洞”這個簡潔、貼切、概括性極強的詞匯，用來解釋宇宙中大質量超巨星坍縮時產生的現象，以取代先前的一個說法—“引力完全塌縮”。惠勒教學和研究的方法也獨具特色，他鼓勵自己的學生探尋那些對了解宇宙有意義的巧妙的解決方案，并且常常引述他的老師、丹麥著名物理學家尼爾斯·玻爾的話：“任何深刻真理的反面也是一個深刻的真理”，以此告誡學生們給任何相反的假設以充分的重視。索恩回憶，他在加盟惠勒團隊僅僅一個小時后，“思想就發生了翻天覆地的改變。”

索恩還記得，有一天，惠勒急匆匆地跑進自己上相對論課程的教室，向大家宣布了剛由兩位物理學家成功完成的一項模擬實驗—恒星瀕臨死亡時會向內聚爆。這意味著，如果恒星內核足夠重的話，整個宇宙中沒有任何力量可以阻止引力創造出黑洞。此時的索恩，正傾情于純粹意義上的天體物理學，以期通過引力奏響的奇妙樂曲，為揭示宇宙奧秘打開一扇大門。

愛因斯坦的奇異“遺產”

索恩欲在天體物理學領域一展身手的那個時期，無論是天體物理學家，還是天文學家和相對論學者，都興奮地意識到，相對論與天文學的大融合已然開啟，并將迎來一個創新期和轉折期。特別是，愛因斯坦在20世紀早期預言的引力波，引發了極大的關注。

愛因斯坦那時已認識到，就像電磁波中的無線電波是由電荷在天線中上下流動時產生的那樣，當物質來回移動時，引力輻射波隨之產生。這可以理解為時空結構或時空曲率的波動，而曲率就像落入水塘的石頭在水面上激起的漣漪一樣傳播。那是伴隨宇宙中最猛烈事件而產生的“隆隆回聲”。天體物理學家們相信，由黑洞本身產生的引力波信號，可以作為黑洞存在的直接證據;而他們正是想通過探測引力波來證明黑洞的存在。如果探測到了源自黑洞的引力波，黑洞理論將會獲得最終證實。

可是，愛因斯坦本人并不十分確定引力波是不是真的存在，不少研究者也持懷疑態度。初涉這一研究領域的索恩起先同樣感到茫然，直到1963年夏的一天，他在阿爾卑斯山參加廣義相對論引力定律暑期講習班時，與美國一位杰出的物理學家的邂逅并交談，改變了他的看法。

一種探索宇宙奧秘的使命擔當

約瑟夫·韋伯第一個充滿遠見地認識到，測量引力波并不是完全沒有希望，他在20世紀60年代初還是世界上唯一一個致力于尋找引力波的實驗物理學家。在瑞士迷人的湖光山色中，他跟索恩講引力波和他的探測計劃，指出需要的基礎在于實驗，也就是探測器的設計、建造和不斷的改進。這一切都令索恩深深著迷。

不過，年輕的索恩也提出了他的不同見解，認為基礎在于理論，要搞清楚廣義相對論關于引力波如何產生，如何在離開時對波源反作用，如何傳播;還應該判斷，哪類天體會產生宇宙間最強的引力波，以多大頻率振蕩;我們還應發明一些數學工具來解開這些天體產生“交響曲”背后的秘密。這樣，當最終探測到引力波時，理論和實驗才能進行對比。

盡管關于黑洞存在的各種證據在20世紀60年代和70年代爭議頗大，索恩依然堅信引力波確實存在，他可以深入研究那些奇異的黑洞，來了解它們吞噬恒星、產生引力波的理論細節，他覺得這些“宇宙信使”必定會打開一扇觀測宇宙的新窗口。

在前往美國東北部的一次旅行中，有一天深夜，當索恩漫步于一個陌生的街道上時，驀然萌生了一個信念：他應該帶領加州理工學院，走到引力波探測這條道路上來，雖然它很可能滿是荊棘曲折。他甚至感悟到了自己身上有一種探索宇宙奧秘的使命擔當。

“默契得難以

言喻”

1975年，索恩的一位俄羅斯好友列昂尼德·格里修克提出了一個令人吃驚的預言：宇宙大爆炸會產生大量引力波。他認為，這些引力波有一種特異的產生機制：來自大爆炸的引力量子漲落（在空間中任意一點處能量的暫時變化），會被宇宙初始的膨脹顯著地放大，它們就形成了原始引力波。如果這些引力波能夠被發現，那么它們就可以幫助我們一瞥宇宙誕生時的情形。

就在這一年，索恩遇到了他事業上的一個“知音”—麻省理工學院的雷納·韋斯。他們一同參加美國國家航空航天局舉辦的一次會議。索恩參會的目的，是為即將向加州理工學院提交的成立引力實驗研究項目組的申請報告搜集相關資料，他知道韋斯早在1969年就設計出了干涉儀式的引力波探測器。

兩人一見如故，“默契得難以言喻”。在隨后的日子里，他們又不時相聚，“經常秉燭夜談”。韋斯回憶說：“我們在一張紙上畫了一幅很大的圖，呈現出引力研究的所有方面。未來的方向在哪里？或者說，我們會有什么樣的未來，要做哪些事情？”

在索恩、韋斯等人的不懈努力下，一套大科學裝置——激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）被建立并啟用。在這個分布于數個地方的龐大網絡中，都有幾千米長的干涉儀在全天候地運行、掃描天空并尋找遠道而來的引力波。它們形成了一個全息的國際探測網。

2015年9月14日，LIGO宣布首次觀測到引力波。此次引力波來自13億光年以外的兩個黑洞（分別為29倍和33倍太陽質量）的碰撞融合。

2016年2月11日，美國華盛頓國家科學基金會的大廳里，LIGO天文臺研究組的負責人走上講臺，一字一句地說道：“我們……已經探測到了……引力波！我們做到了！”會場頓時掌聲雷動。隨后，索恩、韋斯與科學合作組織的發言人共同詳細地介紹了發現結果。

2017年10月3日，瑞典皇家科學院宣布：2017年度諾貝爾物理學獎授予三名美國科學家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他們“在LIGO探測器和引力波觀測方面做出的決定性貢獻”。

“引力波將成為未來幾年、幾十年甚至幾個世紀人類探索宇宙的強有力工具，”77歲的索恩獲獎后接受媒體采訪時說，“這是全人類的勝利。”endprint