他耗时15年的《黑洞与时间弯曲》记录预言和探索历程

大质量天体可导致周围时空弯曲。 来源ligo网站

基普·索恩。

双黑洞系统想象图。来源ligo网站

人类探测到了引力波!这是2016年春天轰动世界的消息。加州理工学院物理学教授陈雁北说，“我相信爱因斯坦，一定也会吓一跳。”

科学界沸腾了，将其比喻为一个失聪的人突然获得听觉，从此获得感知世界的新能力。

在发现引力波的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)背后，有一个人不容忽视，他就是基普·索恩，一个不“安分”的“老头儿”，加州理工学院的费曼物理学教授，是LIGO的联合创始人，还是电影《星际穿越》的编剧……

LIGO项目的执行总监雷兹直截了当地表示，“没有索恩，就不会存在LIGO项目，这个项目是索恩视野、激情和推动力的明证。”

然而，LIGO的合作也并非一帆风顺，索恩也曾痛苦和悲观，他的引力波探索历程，都生动记录在他耗时15年的科普著作《黑洞与时间弯曲》中，其中译本早在15年前就由湖南科技出版社出版。撰文/本报记者赵颖慧

什么是引力波?

像手指在池塘划出的水圈

75岁的基普·索恩，是个有趣的“老头儿”。

在聊到黑洞时，这个戴着黑框眼镜的教授，一声声唤着自己的名字说，“基普掉进了黑洞，当他接近中心的奇点时，会被极端弯曲的空间卷成意大利面条……”

“他非常善于抓住问题的本质，能把复杂深奥的东西，深入浅出地讲清楚。”这是学生对他的评价。

人们常把引力波形容为“宇宙的声音”，比喻为“宇宙的涟漪”。基普在《黑洞与时间弯曲》中说，“引力波把黑洞碰撞的交响曲带给地球，物理学家设计出仪器来寻找那些波，倾听它们的音乐。”

那么，究竟什么是引力波呢?我们得先从广义相对论说起。《黑洞与时间弯曲》的译者李泳解释说，“广义相对论本质上是一个关于时空的几何的理论，在它的图景里，没有什么引力的存在，而是物质使时空发生了弯曲。想象我们的宇宙是一个橡胶垫，太阳犹如中央的一块石头。石头在垫子上砸一个坑，地球就像沿着坑沿滚动的滚珠。在广义相对论中，物体就这样自然顺着弯曲的时空运动，没有力的作用。只是当我们用传统的眼光看时，地球才好像是被太阳的引力拖着运动。”

相应地，引力波就是时空弯曲的波动。基普是这样解释的：“假定在宇宙深处，一个小黑洞正环绕着一个巨大黑洞，一圈圈飞行，多少像我们用手指在水池里画出一个个水圈。手指在水面激起波澜，向池塘的四周扩散，传递着手指活动的信息;同样，飞旋的小黑洞的时空弯曲也在大黑洞四周的时空背景里产生弯曲的波澜，这种波叫‘引力波’，以光的速度向宇宙传播。”

基普认识到引力波的意义，是在1976年，那年11月的一天晚上，他漫步在帕萨迪纳街头，夜已经很深了，但他心里充满了热情和希望，“我在想，是不是该建议加州理工学院设一个引力波探测计划。”这就是“激光干涉引力波天文台”(LIGO)诞生的开始。

引力波的意义?

看到完全不一样的宇宙

让科学家们疯狂的引力波，究竟有什么用?基普说，不如，让我们先仔细回忆以前的一次革命。

最开始，我们用眼睛看宇宙，黑暗的天空，星星点点，对宇宙的理解和知识全部来自光，这是一个安宁沉寂的宇宙，过数百万或者数十亿年才会发现它们的变化。

上个世纪50、60和70年代的射电波和X射线的观测，打破了平静的宇宙观，我们看到了一个剧烈活动的宇宙：从星系核喷射出的气流，类星体闪耀着比银河系还亮的光，光学望远镜看到的最亮天体是太阳、星星和少数邻近的宁静恒星。射电望远镜看到的最亮天体是遥远星系中心的猛烈爆炸。

但他们与引力波比起来，却是小巫见大巫。“我们可能用引力波探测器来研究的物体，是不可能通过可见光、无线电波和X射线发现的。而天文学家现在用光、无线电波和X射线研究的物体，它们的引力波也是很难看到的。这样，引力的宇宙和电磁的宇宙看起来会截然不同，引力波可能变革我们对宇宙的认识。”

除此之外，“电磁波是有可能丢失的，引力波在传播过程中却是不会丢失的，它们一直在宇宙中，甚至就在我们周围。我们有可能通过引力波看到宇宙大爆炸那一瞬，而我们现在观测到的微波背景辐射是大爆炸几十万年以后的留下的痕迹。”译者李泳说。

如何探测引力波?

看激光“跑步”

上个世纪80年代初期，世界上有四个实验物理学家小组，在努力发展干涉仪探测器的工具和技术。

1984年，为了纳税人的财政支持，加州和麻省的两个小组被迫合并，两个小组的负责人都你不情我不愿，却“走不脱”，“两个人像被迫结婚的新人，发了誓，我成了他们的和事佬。”

基普像个“玩世不恭”的老顽童说，“如果两个人分道扬镳，我有责任把他们拉回来，这是脆弱的婚姻，大家都没有一点儿感情。不过，我们还是慢慢开始一起工作了。”

引力波眼睛看不见，耳朵听不见，到底要如何才能抓住它?

LIGO由“L”型真空系统构成，一个在华盛顿汉福德附近，另一个在路易斯安那利文斯顿附近。它们像一个大大的圆规，张开成"L"型，每条“腿”都有4000米长，这两条“腿”实际上是抽成超高真空的管道，在里面跑的是“激光”。激光“奔跑”的速度是不变的，如果出现引力波扰动，激光奔跑的时间发生变化，那么时空可能发生了变化，就可能探测到引力波。

但为什么要两个实验基地，而不是一个呢?基普说，“因为地球上的引力波探测器总会将噪声误会成引力波的爆发。例如，悬挂物体的绳子会无故轻微摆动，像引力波潮汐力那样摇动物体。然而，这样的噪声几乎不可能同时发生在两个远离的独立探测器。因此，为了保证明显的信号来自引力波而不是噪声，必须确认它在两个探测器上都出现。一个探测器是不可能发现并检测你引力波的。”

2015年9月14日，美国利文斯顿的探测器首先传出撞击声，7毫秒后，汉福德的探测器也传出撞击声，这便是人类首次探测到的引力波，被人们誉为第一次触摸宇宙的脉搏。

未来的探索

发现基本定律的终极的单纯、精妙和壮丽

科学家们等待这一声撞击，等待了太久。

酷爱与人打赌的索恩，曾对学生说1980年前引力波就会被探测到，后又与人打赌说，LIGO在2000年前定会探测到引力波，但曾在“科学赌局”中赢过霍金3次的索恩，这两次却都错了。

2000年，基普60岁生日时，他又一口气说了十个“预言”，其中“充满信心”的第一个预言是，“从2010年到2015年，一个叫LISA(激光干涉仪天空天线)的天空基线引力波探测器将揭示许多遥远的大质量黑洞周围的时空弯曲，而且能绘出非常精细的弯曲地图……”

2015年年底，LISA探路者终于艰难启航，迈出了第一步，虽然暂未像基普所预想的那样，揭示时空弯曲，但LIGO为科学家们捕捉到的引力波第一声“初啼”，让大家欣喜若狂。

在译者李泳看来，这群科学家们，并非像《生活大爆炸》中所描述的那样，是"nerd"(呆瓜)，他们更像诗人或者艺术家，热爱文学和艺术的也很普遍。

“因为搞数学或者理论物理，本身讲究的是自由思想、创造力、结构的美，物理学其实是最能自由思想的。现代物理学的方法常常是根据我们的美学观点，科学原理，甚至根据我们个人的兴趣，想象这个自然背后应该有什么样的法则，然后去猜想，与实际对比，假如错了，我们就改;然后再猜想，再检验……从某种程度上讲，物理学的精神也是艺术的精神。”

或许，这也是一个物理学家，可以跨界当编剧，做出现象级电影的原因吧，连他的科普著作《黑洞与时间弯曲》，也是从一艘大飞船的星际冒险开始的，掠过黑洞，亲临视界，感受头脚引力差带来的拉伸感……

当基普快写完这本书时，自问，“你想让你的读者从书中学到的最重要的一样东西是什么?”

他自答：人类思想那令人惊奇的力量——在迷途中往返，在思想里跳跃——去认识宇宙的复杂，发现主宰它的基本定律的终极的单纯、精妙和壮丽。

编辑荐书

想读懂引力波?这五本书不容错过

第一推动丛书·宇宙系列:《黑洞与时间弯曲》

编辑推荐：这是基普·索恩的最重要科普著作。《黑洞与时间弯曲》讲述了作者和他的小伙伴们为阐明爱因斯坦的精神遗产而奋斗的历史，也就是预言黑洞、奇点、引力波、虫洞和时间弯曲的那些故事。本书花了整整一章描绘了引力波的本质——时空曲率，以及LIGO草创时期的艰难故事。

第一推动丛书·宇宙系列:《时空的未来》

编辑推荐：这是为庆祝基普·索恩60岁生日时，学术圈给他开的一个小Party。在这个Party上，基普·索恩和我们分享了他对那些即将产生的激动人心的发现的热情和憧憬，他做了十个预言，其中大部分和引力波有关。今天，他的一部分预言成真，还有一些依然等待未来科学家的共同探索。

第一推动丛书·宇宙系列：《爱因斯坦尚未完成的交响乐》

编辑推荐：这是一本罕见的专门讲述引力波探测的科普书。从上世纪60年代开始，科学界开始了引力波的探测。时至今日，全球各地已经建起了很多各式各样的引力波探测设备，而且还有很多新式设备正在兴建或即将建造，其中最著名的就是美国的LIGO项目。本书作者玛西亚·芭楚莎，是获得颇负声望的美国物理学会“科学写作奖”的第一位女性，她耗时多年，广泛搜集资料，记录下了这项事业的发展历程。

第一推动丛书·宇宙系列：《完美理论》

编辑推荐：这是关于广义相对论的传记，描绘了继爱因斯坦之后，物理学精英奋战广义相对论的世纪历程。引力波、暗物质、暗能量、黑洞和弦理论都是爱因斯坦理论的后代，它们主宰着现代物理学和天文学。本书用完整的一章描绘了为了“看见”引力——探测引力波，各路英雄或壮志未酬或雄心满怀的史诗般故事。

《爱因斯坦相对论100年》

编辑推荐：引力波是广义相对论的一个推论，就连爱因斯坦本人也认为它的效应太微弱了，人类难以检测到。百年之后，引力波终于首次被探测到，这又一次证明广义相对论的正确性。如果你想了解这位旷世天才到底是怎样一个人，他为什么那样出名，那么，《爱因斯坦相对论100年》，就可以让你在赏心悦目的阅读中轻松了解爱因斯坦的科学和人生。这是一本基础扎实的爱因斯坦传记，收有200多幅来自爱因斯坦档案馆的珍贵私人照片以及12篇著名人物包括三位诺奖得主从不同角度写的解读爱因斯坦的文章。

第一推动丛书·宇宙系列编辑吴炜

责编：周杨

来源：潇湘晨报