新晉諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，76歲的基普索恩很像老年版的《生活大爆炸》中的謝耳朵。這不僅是因?yàn)樗麄兌际抢碚撐锢韺W(xué)家，也都在加州理工學(xué)院任教，基普對(duì)科幻的熱愛(ài)，言談中的冷幽默，和老頑童的好奇心態(tài)也與謝耳朵如出一轍。他留著時(shí)髦的胡子，中間是白色的，邊緣是黃色的。“我老了才開(kāi)始留胡子的，因?yàn)橛X(jué)得自己的下巴不夠好看?！?2月19日，基普·索恩和同時(shí)獲得諾獎(jiǎng)的雷納韋斯一起，在未來(lái)論壇上進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)的演講。演講開(kāi)一開(kāi)場(chǎng)，基普就一本正經(jīng)地先解釋了胡子造型的原因，引得滿(mǎn)堂大笑。
當(dāng)天，索恩本來(lái)答應(yīng)了北師大的張帆教授，在論壇上給他看看諾貝爾獎(jiǎng)?wù)麻L(zhǎng)啥樣，但臨走的時(shí)候忘帶了，“獎(jiǎng)?wù)麓丝天o靜地躺在酒店的保險(xiǎn)柜里，”他說(shuō)，“不過(guò)也沒(méi)什么好看的，特別小一塊兒?！?/p>
在獲得諾獎(jiǎng)之前，索恩最為人所熟知的身份是科普演講學(xué)術(shù)明星，科幻小說(shuō)家，和諾蘭電影《星際穿越》的科學(xué)顧問(wèn)。他的學(xué)生陳雁北曾說(shuō)，索恩有把復(fù)雜深?yuàn)W的東西，深入淺出地講清楚的能力。而這個(gè)能力讓索恩在科學(xué)家之外，有了“網(wǎng)紅”體質(zhì)。他的科普演講和科普書(shū)籍，讓全世界無(wú)數(shù)年輕人開(kāi)始對(duì)黑洞、引力波、相對(duì)論、時(shí)間旅行以及蟲(chóng)洞等話(huà)題著迷。2009年，從加州理工學(xué)院退休后，他不僅參與了科幻電影《星際穿越》的編劇和拍攝，親自用粉筆寫(xiě)出了電影中黑板上復(fù)雜的公式，而且還出了一本關(guān)于《星際穿越》的書(shū)，詳細(xì)解釋《星際穿越》中的科學(xué)原理。論壇上他還透露，還將參與一部好萊塢科幻電影，但他表示，他不是拍電影上了癮，而是為了激發(fā)更多年輕人投身科學(xué)探索。
索恩的老頑童個(gè)性還體現(xiàn)在他與另一位科學(xué)狂人霍金的三次打賭上。他曾和霍金打賭三次，分別賭天鵝座X-1不是黑洞，宇宙中不存在裸奇點(diǎn)，和黑洞會(huì)摧毀一切信息。三次霍金都輸了。三次打賭，索恩得到了霍金為他訂了一年的色情雜志《閣樓》，（雖然索恩辯解稱(chēng)他只想要看雜志的“文章”，但還是被妻子臭罵了一通），一件包裹“裸體”的T恤衫，（霍金不甘心地在體恤上寫(xiě)下“大自然討厭裸露”），還有一本百科全書(shū)。如今，他們的賭據(jù)還貼在索恩的辦公室墻上，
探測(cè)引力波，應(yīng)該是索恩打下最大的豪賭了。這個(gè)賭局長(zhǎng)達(dá)40余年，耗費(fèi)了大量的資金和數(shù)以千計(jì)的科學(xué)家長(zhǎng)年累月的工作。1972年，雷納韋斯在麻省理工的校內(nèi)期刊上發(fā)表了探測(cè)引力波的方案，索恩讀了，當(dāng)時(shí)覺(jué)得這想法太瘋狂了，根本不可行，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)雷納的激光干涉儀的實(shí)驗(yàn)想法，需要達(dá)到很高很高的精密程度才能實(shí)現(xiàn)。但之后兩人在俄羅斯滑雪交談一番后，索恩被說(shuō)服了。他加入了LIGO計(jì)劃，成為了LIGO的聯(lián)合創(chuàng)始人。索恩在理論上搭建起引力波探測(cè)的研究框架，從無(wú)到有開(kāi)創(chuàng)了引力波探測(cè)的很多子方向。隨后，索恩說(shuō)服加州理工學(xué)院支持引力波探測(cè)研究，并組織上千名科學(xué)家共同從事試驗(yàn)，還把美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)也拉了進(jìn)來(lái)，LIGO成為該基金會(huì)資助力度最大的一個(gè)項(xiàng)目。
但“賭神”索恩并未料到，捕捉到引力波信號(hào)的那一瞬，需要人類(lèi)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)艱辛的努力。索恩曾對(duì)學(xué)生說(shuō)1980年前引力波就會(huì)被探測(cè)到，后又與人打賭說(shuō)，LIGO在2000年前定會(huì)探測(cè)到引力波，但曾在“科學(xué)賭局”中贏(yíng)過(guò)霍金3次的索恩，這兩次卻都錯(cuò)了。
2009年從加州理工退休時(shí)，他預(yù)計(jì)人類(lèi)會(huì)在10年之內(nèi)首次觀(guān)測(cè)到引力波，因此他在電影《星際穿越》的設(shè)定中，把發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)洞的時(shí)間安排在了2019年。
這一次，他猜對(duì)了，而且時(shí)間提前了整整4年。
2015年9月14日，百年前曾被阿爾伯特·愛(ài)因斯坦所預(yù)言的宇宙引力波第一次被探測(cè)到了。這些引力波來(lái)自?xún)蓚€(gè)黑洞的相撞，它們經(jīng)過(guò)13億年的長(zhǎng)途跋涉到達(dá)了美國(guó)的LIGO探測(cè)器。
隨后，LIGO好消息不斷，2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先后三次探測(cè)到黑洞并合產(chǎn)生的引力波。
2017年8月17日，即將關(guān)閉探測(cè)到LIGO探測(cè)到了約1.3億年前雙中子星碰撞產(chǎn)生的引力波。全球幾乎所有的天文望遠(yuǎn)鏡都對(duì)準(zhǔn)了長(zhǎng)蛇座NGC4993星系，觀(guān)看這場(chǎng)盛大的“宇宙煙火”。在浩淼的宇宙面前，“人類(lèi)終于耳聰目明了”。
作為人類(lèi)歷史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一，LIGO探測(cè)到引力波的意義不僅在于直接驗(yàn)證廣義相對(duì)論和它預(yù)言的引力波的存在，更重要的，它開(kāi)啟了多信使天文學(xué)的時(shí)代。如索恩在演講中所講，未來(lái)，引力波的探測(cè)將會(huì)常態(tài)化，隨著儀器精密度的提高，黑洞合并的探測(cè)將從一天一次，變?yōu)橐恍r(shí)一次，超新星爆發(fā)等現(xiàn)象也會(huì)被觀(guān)測(cè)到，對(duì)原初引力波的研究還可能解開(kāi)宇宙誕生的秘密。
正因?yàn)榇?，較少獎(jiǎng)勵(lì)最新發(fā)現(xiàn)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，毫無(wú)懸念地火速頒給了引力波三劍客雷納·韋斯（Rainer Weiss），基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）。
在論壇上，索恩接受了很多問(wèn)題，有人問(wèn)他的生活是否和 《生活大爆炸》 中的科學(xué)家的生活方式相似？老頭子一本正經(jīng)地答到：“我的生活和正常人一樣?！边€有一個(gè)問(wèn)題更令我印象深刻，“你為什么這么愛(ài)打賭？”“不，我不愛(ài)賭博，我只為物理學(xué)下注”，索恩說(shuō)。
網(wǎng)易科技根據(jù)未來(lái)論壇現(xiàn)場(chǎng)錄音聽(tīng)譯，整理了兩位諾獎(jiǎng)得主的演講。
以下為基普索恩的演講全文，略經(jīng)編輯。
我想給大家講講我的個(gè)人經(jīng)歷，我和雷納·韋斯（Rainer Weiss）之間是如何進(jìn)行合作的，以及我早期的一些研究經(jīng)歷。
我是理論物理學(xué)家，雷納·韋斯是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。我關(guān)注的是理論，他關(guān)注的是如何讓這些理論應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中。我也非常希望能夠通過(guò)理論的工具，比如愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，來(lái)推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。
1962年到1965年，我在普林斯頓大學(xué)讀博士，我的博士導(dǎo)師是約翰·惠勒（John Wheeler），他是黑洞理論和中子星理論的著名學(xué)者，他發(fā)明了“黑洞”這個(gè)名詞。當(dāng)時(shí)，我們的小組中一個(gè)非常重要的課題，叫做實(shí)驗(yàn)重力，這個(gè)小組是由鮑勃·迪克（Bob Dicke）領(lǐng)導(dǎo)的。我們用了愛(ài)因斯坦相對(duì)論來(lái)做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明研究，來(lái)檢測(cè)物理學(xué)一些非常基礎(chǔ)的原理。在鮑勃的小組里，有一位非常重要的成員，就是雷納·韋斯，他是鮑勃的博士后。當(dāng)時(shí)，我并沒(méi)有意識(shí)到，如今在天文學(xué)界會(huì)有如此偉大的一次發(fā)現(xiàn)，我也萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)有想到，我學(xué)習(xí)的這門(mén)功課，給我?guī)?lái)一個(gè)這么精彩的科研成果。
1963年我去了法國(guó)Les Houches，讀一個(gè)夏天的研討班。在那里，我遇到了喬韋伯（Joe Weber），現(xiàn)在LIGO用到的引力波理論就是他研究的方向。當(dāng)時(shí)我從他那里學(xué)習(xí)了引力波的相關(guān)知識(shí)，我對(duì)此非常的感興趣。
1966年，我去了加州理工大學(xué)，在那里和我的同事們做了一個(gè)理論小組，研究中子星，黑洞還有引力波。當(dāng)時(shí)我就了解到，很多的科學(xué)理論是可以用引力波來(lái)證明。在1972年，我和一位叫比爾·普萊斯（Bill Press）的學(xué)生一起對(duì)比了一下電磁波和引力波的區(qū)別。引力波和電磁波都能夠從遙遠(yuǎn)的空間的另一端給我們帶來(lái)信息，但是這兩種波是完全不一樣的。
伽瑪波、微波、電磁波、無(wú)線(xiàn)電波等等，所有的波都有它自己的一種頻率，包括電磁波也是具備所有的特征。它其實(shí)是一個(gè)電磁場(chǎng)的振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)在時(shí)空當(dāng)中的傳播就叫做電磁波。剛剛雷納·韋斯教授跟我們也談到了在空間變化的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它有的時(shí)候會(huì)發(fā)生扭曲，有的時(shí)候會(huì)收縮，有的時(shí)候會(huì)伸長(zhǎng)。我們發(fā)現(xiàn)電磁波還有一個(gè)特征，它其實(shí)是一個(gè)粒子、原子和分子發(fā)射的波的隨機(jī)重合。但是我們發(fā)現(xiàn)，引力波是時(shí)空本身的振動(dòng)和扭曲，它的源的質(zhì)量和能量都是非常大的，它所形成的波是一個(gè)相干輻射，這和很多天體電磁波是不一樣的。另外，我們發(fā)現(xiàn)電磁波能夠非常容易吸收，也非常容易散射。但是引力波其實(shí)是不太會(huì)被吸收，也不會(huì)被分散，所以即便是在宇宙大爆炸的時(shí)候，所產(chǎn)生的引力波到現(xiàn)在也還存在。那個(gè)時(shí)候宇宙是非常致密的，密度是非常高的，那個(gè)時(shí)候的波一直留存到了現(xiàn)在。
在七十年代，我們發(fā)現(xiàn)，有很多的引力波的波源是沒(méi)有辦法以電磁的方式來(lái)觀(guān)測(cè)到的，包括黑洞，例如兩個(gè)黑洞合并成一個(gè)，這些東西都沒(méi)有辦法通過(guò)電磁波或者是無(wú)線(xiàn)電波的方式觀(guān)測(cè)到。這兩者之間的不同，其實(shí)就告訴我們，我們很有可能能夠從引力波當(dāng)中找到一些驚喜。同時(shí)我們能夠了解整個(gè)宇宙是怎么樣進(jìn)化的，是有這樣的一個(gè)可能性的，所以我們就需要去檢測(cè)和觀(guān)察引力波，我個(gè)人對(duì)此非常感興趣，很想要成為這個(gè)學(xué)術(shù)運(yùn)動(dòng)中的一員。
1972年，在比爾·普萊斯和我發(fā)表了第一篇文章的同一年，雷納·韋斯推出了關(guān)于如何探測(cè)引力波的一個(gè)方案。這篇文章當(dāng)時(shí)是發(fā)表在一份麻省理工學(xué)院內(nèi)部的學(xué)術(shù)期刊上的，他并沒(méi)有對(duì)外發(fā)表。引力波探測(cè)的理論發(fā)表在一本非常小的校內(nèi)的期刊上面，非常有意思。他相信，直到他的探測(cè)器能夠在未來(lái)真正探測(cè)到引力波之后，才可以真正在公開(kāi)場(chǎng)合發(fā)布這個(gè)成果，而不是搶先發(fā)布研究成果，雖然他現(xiàn)在的研究成果和他四十年以前所談?wù)摰募夹g(shù)和想法是一樣的。
他的提議非常吸引人，他想要?jiǎng)兂械脑胍?，把所有的注意力都關(guān)注到引力波的探測(cè)上來(lái)，這也是我們LIGO系統(tǒng)做的一件事情，就是剝除所有的噪音來(lái)探測(cè)引力波。他還描述了，這樣的一個(gè)探測(cè)器到底要做到精度有多高，敏感性有多高，才能夠探測(cè)到引力波，所以其實(shí)非常完整的一套方案，他甚至精確到我們這個(gè)設(shè)備要多少米長(zhǎng)，多少米寬等等。我看了他的文章，我的博士論文就是在這篇文章中找到了靈感，然后我就寫(xiě)了一本關(guān)于重力的博士論文。當(dāng)時(shí)我對(duì)雷納韋斯這篇論文的想法是，這個(gè)方案太瘋狂了，完全不可行！
大家試想一下，我們用鏡子來(lái)測(cè)量光,但要保證鏡子的位移是所用于測(cè)量的光線(xiàn)波長(zhǎng)的10的負(fù)12次方，大家能想象嗎？能夠測(cè)量成功嗎？后來(lái)我和雷納·韋斯、烏拉迪米爾·布拉金斯基在俄羅斯也討論過(guò)，和雷納討論之后，我被說(shuō)服了。在1972年，我也寫(xiě)了更多的論文，也花了很多的時(shí)間，把每一個(gè)細(xì)節(jié)都捋清楚，這也就是為什么我今天來(lái)到這里，因?yàn)槲乙呀?jīng)搞清楚了這一套東西，可以跟大家談一談。
我想強(qiáng)調(diào)的是，我們現(xiàn)在還沒(méi)有制造出達(dá)到設(shè)計(jì)精度的高級(jí)LIGO探測(cè)器，2020年會(huì)達(dá)到這個(gè)精度。早在1968年，這類(lèi)的一個(gè)探測(cè)器的細(xì)節(jié)還沒(méi)有出來(lái)之前，布拉金斯基就提出了這樣的一個(gè)概念，就是不論什么手段，都需要測(cè)量的儀器的精度達(dá)到量子尺度。如果我們要去測(cè)量一些非常大質(zhì)量的物體的位置變化的時(shí)候，我們會(huì)探到一個(gè)大重量物質(zhì)的量子漲落，包括我們用鏡子來(lái)做這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)的話(huà)，我們就可以看到鏡子的量子漲落，它的德布羅意波長(zhǎng)是10的負(fù)17次方厘米，與探測(cè)所需要的對(duì)應(yīng)變的靈敏度相當(dāng)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的做法，人類(lèi)會(huì)第一次觀(guān)測(cè)到大物體以量子物理的方式來(lái)運(yùn)動(dòng)。如何在量子噪音環(huán)境中，提取出大小相當(dāng)?shù)囊Σㄐ畔?，這就是布拉金斯基所謂的量子非破壞性測(cè)量技術(shù)，這是理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的一個(gè)很好的例子。這項(xiàng)研究是我和布拉金斯基兩個(gè)研究組的合作產(chǎn)物，陳雁北在其中起到了至關(guān)重要的作用。
現(xiàn)在聊聊引力波的波源，我們通過(guò)引力波能看到什么呢？?jī)蓚€(gè)碰撞的黑洞，我們都知道黑洞，它其實(shí)是一個(gè)天體，基本上我們可以把它看作是一個(gè)圓形的東西，但轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞會(huì)變扁。它的重力非常強(qiáng)大，一般的東西都脫離不了它的引力。在表面的這個(gè)部分，叫做它的事件視界，如果說(shuō)我們過(guò)了這個(gè)界限的話(huà)，任何的信號(hào)都發(fā)不出來(lái)了，因?yàn)樗囊Ψ浅５拇螅o(wú)線(xiàn)電波都發(fā)不出來(lái)，全部都被它吸引掉。告訴大家一個(gè)秘密，在黑洞里面，時(shí)間都是以某一個(gè)特殊的方式向中心流動(dòng)的，因?yàn)闆](méi)有東西可以在時(shí)間上反向行進(jìn)，所以也沒(méi)有東西可以逃離黑洞。
上圖是兩個(gè)第一次用引力波探測(cè)到即將要碰撞的黑洞。這是我們的肉眼能夠看到的黑洞景象。這兩個(gè)黑洞在13億年前發(fā)生碰撞的時(shí)候，我們看到的就是這樣的一樣子。它是非常復(fù)雜的一個(gè)模式，兩個(gè)黑洞是環(huán)繞著對(duì)方進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，慢慢越來(lái)越近，然后碰撞到一起。這是13億年前所發(fā)生的一件事情，彼時(shí)我們的地球上才剛剛有多細(xì)胞生物，但在離我們遙遠(yuǎn)的星系中，兩個(gè)黑洞不斷地圍繞著對(duì)方來(lái)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生引力波，最終他們碰撞產(chǎn)生非常強(qiáng)的一個(gè)引力波。這個(gè)引力波5萬(wàn)年前到達(dá)銀河系外圍的時(shí)候，我們?nèi)祟?lèi)的祖先還在與尼安德特人分享地球。引力波在銀河當(dāng)中旅行，然后到達(dá)地球的時(shí)間就是2015年，先到南極，然后它又向上穿過(guò)地球，首先是被我們路易斯安那的監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)到了，然后在華盛頓又被監(jiān)測(cè)到了，然后它繼續(xù)旅行，穿過(guò)地球，這就是我們觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象。
引力波是從黑洞來(lái)的，但是黑洞并不是由物質(zhì)組成的。確實(shí)，黑洞被認(rèn)為是恒星爆炸坍縮產(chǎn)生的，恒星本身的物質(zhì)會(huì)進(jìn)一步被破壞，變化成奇點(diǎn)藏在黑洞里面，但其實(shí)黑洞的組成是彎曲的時(shí)空。大家可以去想象一下，把兩個(gè)黑洞放在一個(gè)二維的面上，由于黑洞的周長(zhǎng)和直徑相比太小了，這個(gè)面不能和桌面一樣是平的，必須被二維面彎曲放在一個(gè)更大的三維空間內(nèi)?！缎请H穿越》是把三維空間放在四維里。
這和雷納的網(wǎng)格是一個(gè)意思，時(shí)間的減慢在這張圖上是用顏色表達(dá)的。在紅色的這個(gè)地方，時(shí)間是比較慢的。這些箭頭指向了空間運(yùn)動(dòng)的方向，以及時(shí)空彎曲的方向。在黑洞彼此環(huán)繞，并最終碰撞在一起的時(shí)候，產(chǎn)生的效果就好像在海平面中扔一塊石子，水先會(huì)下降，然后再向上去激起非常大的浪花。在兩個(gè)黑洞融合到一起之后，他們中間的空間會(huì)升起來(lái)，這個(gè)時(shí)候會(huì)有引力波產(chǎn)生，同時(shí)產(chǎn)生巨大的能量。相當(dāng)于三個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，轉(zhuǎn)化成了引力波。這個(gè)碰撞的過(guò)程是非?？斓模瑔挝粫r(shí)間的能量非常大，是所有的宇宙中，星球能量在那個(gè)時(shí)間段的總和的50多倍以上，是一個(gè)令人難以置信的奇觀(guān)。
最后，我想講一下引力波的未來(lái)。在未來(lái)，我們首先會(huì)對(duì)LIGO系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)在如果打開(kāi)LIGO系統(tǒng)，在兩個(gè)檢測(cè)器都在運(yùn)行的情況下，像雷納·韋斯這樣的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家去觀(guān)察，一到兩個(gè)月會(huì)觀(guān)測(cè)到一次雙黑洞的合并。所以我們基本上可以說(shuō)，目前這樣的現(xiàn)象是一個(gè)月能觀(guān)測(cè)到一次。如果我們能夠提高LIGO的靈敏性，我們看到黑洞合并事件的機(jī)率將會(huì)是現(xiàn)在的27倍。也就是說(shuō)，我們的觀(guān)測(cè)效率可以從之前的一個(gè)月觀(guān)測(cè)到一次，到一天觀(guān)測(cè)到一次。這個(gè)改進(jìn)大概在2020年的時(shí)候能實(shí)現(xiàn)。這也是為什么雷納·韋斯和其他的同事關(guān)閉了檢測(cè)器，關(guān)閉了一年的時(shí)間，對(duì)它做進(jìn)一步的改進(jìn)，增強(qiáng)它的靈敏度。這將是一個(gè)非常重要的實(shí)踐，讓LIGO達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度。
未來(lái)，在引力波天文學(xué)領(lǐng)域，還會(huì)有更多激動(dòng)人心的可能。在二十一世紀(jì)的二十年代后期，如果Voyager這樣的設(shè)備能夠進(jìn)一步改善靈敏性，我們每一個(gè)小時(shí)就能夠看到一次雙黑洞的碰撞。在歐洲還有一個(gè)愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡，它將在二十一世紀(jì)三十年代的時(shí)候能夠進(jìn)行進(jìn)一步的宇宙探測(cè)，它將能夠看到、了解到宇宙中的每一次的雙黑洞的合并，只要這個(gè)質(zhì)量是在1000太陽(yáng)質(zhì)量以下的。這也是我們未來(lái)的進(jìn)展的一個(gè)方向。
同時(shí)我們還能夠觀(guān)測(cè)到其他引力波的來(lái)源，比如中子星和脈沖星，我們也確實(shí)觀(guān)測(cè)到了兩個(gè)中子星的碰撞，同時(shí)我們也知道了它的質(zhì)量一般是1.5倍的太陽(yáng)質(zhì)量，而且我們能夠看到脈沖星或者中子星在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，我們能夠看到他們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生引力波，大家也會(huì)把它了解成在中子星表面有一些山脈，然后它會(huì)產(chǎn)生一些引力波，同時(shí)我們還會(huì)看到黑洞能夠摧毀中子星。
正如雷納·韋斯所說(shuō)的，未來(lái)，我們希望能觀(guān)測(cè)到恒星在形成中子星的過(guò)程中爆炸，產(chǎn)生超新星。這將幫助我們?nèi)ミM(jìn)一步觀(guān)測(cè)引力波、中微子以及電磁波，進(jìn)而了解這個(gè)過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)，以及超新星是如何誕生的。我們還可能看到理論假設(shè)的宇宙弦，像橡皮筋或琴弦一樣散布在全宇宙中。它們可以被看成時(shí)空的缺陷，彈它們就像彈琴一樣，會(huì)發(fā)射引力波。當(dāng)然除此之外，還會(huì)有更大的驚喜。
在未來(lái)15年甚至是20年的過(guò)程中，會(huì)有四種不同的引力波的窗口被打開(kāi)。在LIGO，所能夠觀(guān)測(cè)到的引力波是在幾微秒的周期，LISA觀(guān)測(cè)的引力波的周期增加到幾分鐘到幾小時(shí)。PTA會(huì)進(jìn)一步的增加到幾年甚至是幾十年。還有CMB，它會(huì)做一個(gè)極化的探測(cè)，是數(shù)億年的周期，這比一般研究人員的壽命還長(zhǎng)，所以我們不去觀(guān)測(cè)變化，而是去看這個(gè)變化的影響在天空中的分布。
這些窗口類(lèi)比于X射線(xiàn)天文學(xué)，伽瑪射線(xiàn)天文學(xué)和輻射天文學(xué)，在未來(lái)15到20年中，這些不同的領(lǐng)域都將會(huì)是我們可以進(jìn)行研究的新領(lǐng)域，這非常激動(dòng)人心。有三個(gè)窗口是和LIGO不一樣的探測(cè)器。
首先是LISA，它是一個(gè)激光干涉空間天線(xiàn)，它在百萬(wàn)公里的空間距離范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，使得我們能夠進(jìn)行非常長(zhǎng)周期的引力波的觀(guān)測(cè)，從幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)，它們的波長(zhǎng)是非常長(zhǎng)的，進(jìn)而大家能夠觀(guān)測(cè)到從巨型的星系中央黑洞發(fā)出的引力波，這是非常強(qiáng)烈的信號(hào)，可能比噪音要高于數(shù)萬(wàn)倍甚至更多。這樣我們能夠了解到時(shí)空形狀的細(xì)節(jié)，而且精度會(huì)非常高。我和惠勒把它叫做幾何動(dòng)力學(xué)。還有就是，當(dāng)小的黑洞圍繞大的黑洞旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，它會(huì)逐漸進(jìn)入到大的黑洞中，LISA的觀(guān)測(cè)能夠幫助我們，像繪制火星地圖一樣，對(duì)這些空間進(jìn)行完整的測(cè)繪。
再說(shuō)PTA，它會(huì)探測(cè)在地球周?chē)囊Σ?，我下面講的嚴(yán)格上并不正確，但是接近事實(shí)。這些波在地球周邊，會(huì)放慢時(shí)間演化的速度，然后再增加速度，再放慢，再增加。射電天文學(xué)家會(huì)通過(guò)對(duì)不同天空中的脈沖星監(jiān)測(cè)，非常精確的去探測(cè)他們的時(shí)間。如果所有這些脈沖星都一起加速、減速，加速、減速，這就是引力波的信號(hào)，因?yàn)橐Σㄓ绊懥说厍蛑兴戌姳淼臅r(shí)間。有了這樣的技術(shù)，我們可能會(huì)觀(guān)測(cè)到超大的黑洞并合，它的質(zhì)量相當(dāng)于數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。
最終，在未來(lái)的15年中，我們會(huì)開(kāi)始去真正研究宇宙的誕生，以及其基本力的誕生，而這和所有的自然現(xiàn)象相關(guān)。最開(kāi)始在宇宙還非常年輕的時(shí)候，是不存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)這樣一個(gè)概念的，所以在當(dāng)時(shí)，麥克斯韋方程是不存在的。但是到了10的負(fù)12次方秒時(shí)間段中，出現(xiàn)了電磁力還有弱相互作用區(qū)分，它們分開(kāi)，然后就出現(xiàn)了電磁力，然后又出現(xiàn)了核力，核能。這個(gè)過(guò)程很可能以一階相變的方式達(dá)到。新生成的力是在類(lèi)似于氣泡的地方存在的，而這些氣泡是內(nèi)部存在電磁力的，外面沒(méi)有，而且它們也會(huì)不斷地?cái)U(kuò)張。氣泡撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的引力波。宇宙在不斷膨脹的過(guò)程中，這些波的波長(zhǎng)會(huì)不斷的變長(zhǎng)，進(jìn)入 LISA的探測(cè)波段。同樣，LIGO也能夠看到在10的負(fù)33秒中，發(fā)生類(lèi)似相變產(chǎn)生的引力波。但我們并不知道那時(shí)的物理定律是什么樣的，所以這也是需要我們?nèi)ミM(jìn)行進(jìn)一步探索的。
我們還希望在未來(lái)能夠去觀(guān)測(cè)到在宇宙最初產(chǎn)生的時(shí)候的引力波，也就是原初引力波。大爆炸時(shí)有一些引力波量子擾動(dòng)產(chǎn)生，但極小。在宇宙大爆炸之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，引力波在暴漲過(guò)程中不斷地被放大。這個(gè)引力波與微波背景輻射作用，影響原初等離子體，在微波背景輻射電磁波的極化中留下了印記。宇宙學(xué)家們?cè)谘芯亢蜏y(cè)量CMB，并且研究這個(gè)極化的過(guò)程?，F(xiàn)在他們面臨的最大挑戰(zhàn)，把噪音是如何從信號(hào)中分離出來(lái)。我覺(jué)得，未來(lái)我們還需要5到10年的時(shí)間才能夠完全剝離出來(lái)這些噪音，看到非常單純的引力波。這一成果將讓我們了解到宇宙大爆炸還有暴漲共同的特征。
最后，我想說(shuō)，在四百年前，伽利略用望遠(yuǎn)鏡仰望星空，發(fā)現(xiàn)了木星有衛(wèi)星。兩年之前，也就是2015年，我們用LIGO檢測(cè)到了兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，我們了解宇宙的方式正在不斷地發(fā)生變化，正在不斷地進(jìn)步，我個(gè)人對(duì)人類(lèi)四百年里對(duì)宇宙的探索感到非常興奮。在這四百年間我們?nèi)〉昧巳绱舜蟮倪M(jìn)步。我也非常想知道，在下一個(gè)四百年，人類(lèi)觀(guān)測(cè)宇宙、了解宇宙的方式會(huì)發(fā)生什么樣的變化。
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