《科學大家》專欄：聽2017年諾貝爾物理學獎得主聊引力波探測那些事

出品 | 新浪科技《科學大家》

受訪者 |

雷納·韋斯 麻省理工學院教授 2017諾貝爾物理學獎獲得者

基普·索恩 加州理工學院教授 2017諾貝爾物理學獎獲得者

巴里·巴里什 加州理工學院教授 2017諾貝爾物理學獎獲得者

如果非要選出一個詞來總結2017年的全球科學進展，我想很多人都會選「引力波」。自從2015年「激光干涉引力波天文台」（LIGO）宣布首次觀測到引力波信號以來，關於新的引力波探測的好消息便接踵而來。

2017年，LIGO首次探測到一種全新種類的引力波——來自雙中子星合併的信號，而非之前所有探測案例中那樣，都是雙黑洞合併的信號。而更加激動人心的是，在引力波探測器檢測到信號的幾乎同時，光學波段的望遠鏡也觀察到了相應的光學對應體。也就是說，人類首次在電磁波和引力波兩個不同窗口上目睹了同一天文事件的發生——從此，人類打開了一個全新的窗口，天文學正式進入到「多信使天文學時代」。

在這樣的衝擊和震撼之下，毫無意外的，幾位在LIGO建設和引力波探測方面貢獻卓著的科學家被授予了2017年度的諾貝爾物理學獎，可謂實至名歸。同時，今年由復旦大學頒發的「復旦-中植科學獎」也授予了這幾位功勛卓越的美國科學家。

與中國的對話

兩位獲獎人，麻省理工的雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授和加州理工的基普·索恩（Kip Thorne）教授兩人在北京接受了媒體採訪。Rainer Weiss和Kip Thorne兩位教授分別就引力波信號的探測原理和過程，最新進展等方面回答了記者的提問。

一、論興趣的重要性

在被問及如果有青少年想在未來投射科學研究，你對他們有什麼建議時，兩位教授不約而同強調了興趣對一個人事業成功的重要性。

雷納·韋斯教授分享了自己的故事，他的科學道路可謂一波三折。他從小就對各種電子設備感興趣。作為德國移民的後代，他在紐約長大，中學時代的他喜歡到處買一些廢棄電子器件，依靠自己修理組裝收音機之類的電器。雷納·韋斯教授現場回憶起自己小時候從路邊「淘寶」的歷程，以及自己複雜曲折的追求興趣的經歷。

他在高中時期就非常明確的知道自己的興趣是電子設備方面，於是，為了追尋自己的興趣，在麻省理工讀大學時選擇了電子工程專業，但很快他就發現這個專業的課程內容並非如自己原先設想的那樣，失望之餘該怎麼辦？雷納·韋斯的答案是果斷轉去了物理系，原因很簡單，因為物理系比較自由，他可以做任何自己想做的事情。

或許與很多人心目中學霸的形象很不同，雷納·韋斯教授反覆提到自己並非學霸，甚至屬於「糟糕」的學生。在麻省理工求學期間，因為女友不給自己寫信，於是逃課跑去芝加哥找女友去了，結果導致自己的課都沒去上，出勤考核不及格，結果把成績弄得很難看。

幸運的是，有名的原子鐘研製專家傑羅德教授（Jerrold Zacharias）的實驗室收留了他。傑羅德教授研製的銫原子鐘現在已經成為時間的國際標準。在這裡，雷納·韋斯對於電子方面的熟悉和強大動手能力得到了鍛煉，他為導師的團隊製作各種原子鐘使用的電子部件。也正是在這裡，雷納·韋斯第一次感覺到離愛因斯坦的理論很近：他的導師傑羅德教授想要研製更好的原子鐘，以便對愛因斯坦紅移效應進行檢驗。根據這一理論，處在不同引力場強度下的時鐘，其時間將是不同的。因此，理論上，如果你的鐘足夠精準，那麼放在山頂和山谷，其快慢將是不同的，因為它距離地球的中心距離有差異。

儘管最後這個實驗沒有成功，但這一經歷引導雷納·韋斯走上了引力的研究道路，為最終從事LIGO引力波的探測埋下伏筆。

相比之下，基普·索恩教授的故事要簡單的多。他出生在猶他州一個小城的一個學術世家，他的父親是教授，母親也擁有博士學位。

小時候的索恩曾經夢想成為一名鏟雪車司機，因為在小城的冬天，轟鳴而過的鏟雪車顯得特別有力量。但是在他8歲那年，他的母親帶他去聽了一個關於太陽系的講座，索恩一下子被吸引住了。慢慢的，隨著讀到的天文書越來越多，索恩對天文和物理的興趣愈發濃厚，在高中時期就立下了要成為天文學家的夢想。

但即便今天成為了諾獎得主，當年索恩追求天文的道路也並非一帆風順。在加州理工求學期間，索恩感到非常失落。因為原本在高中時期一直是學校里佼佼者的他到了大學發現自己原來是最笨的那一個，身邊所有人都比他聰明，比他懂得多。於是索恩只能拚命學習，努力跟上周圍人的節奏。最終，順理成章的實現了理想，成為一名研究引力波理論的專家。

但是索恩教授也強調，他身邊的科學家很少有像他這麼一路走到底的，更多人是像雷納·韋斯那樣在中間經歷過曲折迂迴。但是不管如何，他們兩人，以及許許多多其他成功的科學家，都是在自己興趣的指引下走到今天的，也只有在興趣的指引下，人們才能真正熱愛自己的工作，才能真正做好自己的工作。正如基普·索恩教授所言：「不要害怕去探索，去做自己真正熱愛的工作。」而雷納·韋斯教授更是直白地指出：「如果從事科學工作不能讓你感到愉悅，那麼你或許不應該從事這一行。」

二、過度焦慮的家長

雷納·韋斯教授進而談到了今天在美國，很多家長望子成龍的心態膨脹，整體處於嚴重的焦慮狀態，總希望讓自己的孩子多學一點，從小考出最好的成績，最好把所有該學的知識都學了，然後一路朝著成功狂奔。

他提到有些家長會因為學校老師給他們孩子的某門功課打了A-的等級而專門跑去學校和老師爭論，指責老師這樣做是在「毀掉」自己孩子的前程，斷送了他們孩子上哈佛大學的順風路。

雷納·韋斯教授對此深惡痛絕，他說：「你怎麼可能預知未來孩子們需要什麼樣的知識？你怎麼知道什麼才是對的？」他的觀點是，人生是豐富的，有許多條路存在，應該讓人生的經歷去指引你，指引孩子。經曆本身，包括失敗的經歷，都是我們最好的老師。

三、如何看待科學方面的重金獎勵？

雷納·韋斯教授坦率地對此表達了反對的意見。他強調，孩子對於科學的好奇心和熱愛才是推動科學最重要的東西。他所擔憂的是，孩子們不斷因為自己的小小進步而獲得物質上的獎勵，他們會開始和其他孩子比較，慢慢地，他們不再能夠感受到從事科學探索的那種樂趣。

有時候，為了科學獎項而不得不發生的競爭會傷害到孩子。獲獎名額總是有限的，有些時候，孩子們做了非常好的實驗，可是由於名額限制，沒有得到獎勵，孩子會覺得自己不夠好，覺得失落。這是這種獎勵最不好的一面，我們應該提醒孩子們，在探索科學的過程中，我們都度過了非常快樂的時光，這才是最重要的。

但韋斯和索恩兩位教授在現場回答中也都沒有否定科學獎的價值，指出這是對為社會做出重要貢獻的科學家們的一種承認和褒獎。科學獎會造就某種意義上的「英雄」，但是在某種意義上講，我們的社會或許也的確需要樹立起這樣的榜樣。

索恩教授提到，他們並不期待獲得諾獎，他們兩人並非因為想得獎而努力工作，而是因為熱愛自己的事業，因為對科學的好奇心而努力工作。他們也告誡年輕的科工作者們，不要將獲獎設為自己的目標，而應該更加關注從事科學工作過程中的寶貴經歷，去享受做出新發現時的愉悅。

四、有沒有好的科幻作品推薦？

索恩教授表示自己小時候看過一些科幻小說，但是後來讀書工作的時候發現，相比自己的同學和同事，自己實在太笨了。於是不得不中斷了對科幻小說的閱讀，轉而集中精力到工作上。不過現在退休之後又可以把科幻小說重新撿起來了。

索恩提到自己非常喜歡兩位美國科學小說家羅伯特·海因萊因（Robert A。 Heinlein）以及雷·布萊德伯里（Ray Bradbury）的作品。在索恩看來，所有科幻作品的背後都是科學，因此他本人並不太關心科幻，而更關心科學。他還透露繼《星際穿越》之後，他正在參與制作另一部科幻大片，同樣天文題材，也同樣在背後有紮實科學原理的支撐，讓人很是期待。

五、做科學，有時候需要「賭博」

韋斯教授首先強調他們非常幸運。因為做引力波研究本身是十分冒險的。這不僅是因為在他們開始研究測量引力波的時候，所需要的相關測量設備和技術很多根本還沒有研究出來，他們所需要測量的信號又極其微弱，當時很多專家都認為這是永遠都測不出來的。因此，在這樣的情況下你要去申請經費，對方可能會覺得你是個瘋子。

雪上加霜的是，即便花費巨資，耗費大量精力之後，所有相關技術和設備都到位了，你卻根本不能確定自然界里究竟是否真的存在你要找的那種信號。因此當時有很多人都只是想做，但是都沒有付諸行動。

可是索恩他們決定行動起來，因為他們知道引力波信號一旦被檢測到，那將是震動世界的消息，因而是值得為此投入時間精力的。

讓他們感到非常幸運的是，當時在美國國家自然科學基金會（NSF）正好有一位負責撥款的官員理查德·艾薩克森（Richard Isaacson），他曾經從事過引力波理論的研究，對這一問題有著深刻的理解和認識。

於是，艾薩克森大膽地力排眾議，冒著巨大的風險對索恩他們主導的引力波探測計劃提供了資金支持，因為艾薩克森意識到，這樣做不僅符合國家自然科學基金會的利益，符合美國的利益，更符合科學發展的要求，他看到了索恩他們這項工作的重要價值，並認為值得為此放手一搏。

在艾薩克森等人的積極推動下，美國國家自然科學基金會對引力波探測項目提供了將近連續50年的有力支持。而在此期間，LIGO一直沒能檢測到引力波，所有的投資沒有任何回報。但最終，在2015年引力波信號終於被LIGO首先檢測到，轟動世界。證明了索恩他們的實力，同時也證明了艾薩克森等人為代表的美國國家自然科學基金會官員的遠見卓識。

因此，韋斯教授建議，一個國家的科學撥款中應當專門留出一部分資金，專門用於資助那些存在較大風險的，具有很大不確定性，但是一旦成功，將有可能帶來巨大回報的科學研究項目，這方面，引力波探測就是最好的例子——如果當初美國國家自然科學基金會以技術不成熟，太冒險為由拒絕為索恩他們提供撥款，今天的局面又將是如何呢？甚至即便有些項目最終失敗了，它也將留下寶貴的經驗和對後人的啟發。因此，做科學，有時候就像是在賭博，你必須勇於嘗試，不怕失敗，才有可能取得大的突破。這不僅是對科學家說的，也是對科學研究資助機構說的。

六、今年美歐的兩台引力波探測器同時探測到引力波信號有何意義？

韋斯教授認為這主要得益於提升信號源定位方面的幫助。2017年8月份，主要由義大利和法國兩國主導建設的室女座引力波探測器（Virgo）和設在美國的LIGO引力波探測器共同探測到了同一個引力波信號。這樣主要的好處在於能夠大大提升對發出引力波來源的判斷精度。由於LIGO包含有一南一北兩台引力波探測器，所以南邊的引力波探測器先探測到信號，我們就能大致知道引力波信號是從南半球天空中產生的，而現在增加了第三台探測裝置，我們就能更加精準的框定來源方位。事實上，Virgo探測器的加入，讓引力波信號源的定位誤差從1000平方度一下子下降到了大約30平方度，極大地提升了定位精準度。

而同樣是在2017年的8月份，LIGO首次檢測到一次由兩顆中子星合併產生的引力波信號，而這一次Virgo探測器卻未能檢測到。一個檢測到，另一個未檢測到，這一點表明這一信號應當來自Virgo探測器檢測不敏感的天空區域，於是這就幫助天文學家們框定了天空中相當小的一塊區域。

幾乎同一時間，在太空中運行的費米望遠鏡檢測到了一次伽馬射線暴事件，並鎖定了其大致源區。而當科學家們將兩個區域重疊時，他們得到一個非常精確的天空位置。很快，地面上的光學波段望遠鏡迅速行動起來，並成功發現了一個新出現的光學天體。我們知道，正是在那裡，發生了兩顆中子星合併的事件併產生了強烈的引力波信號。緊接著，全球有超過60台望遠鏡加入了觀測，覆蓋從光學，到紅外，到射電和X射線等各個電磁波段。通過對各個電磁波段的觀測，再結合引力波觀測，科學家們獲得了前所未有的全新認識，一個全新的「多信使天文學時代」就此開啟了。

七、引力波會和電磁波一樣，對我們的實際生活產生巨大影響嗎？

索恩教授的回答簡單明了：在未來100年內絕對不會有什麼影響，或許在未來幾百年內都不會有什麼影響。如果非要說有什麼應用價值的話，那或許就是它極好的穿透性。如果你要讓一個信號穿過地球，或許可以考慮引力波。不過實際上中微子或許是更好的選擇。但如果不是出於這個原因，索恩教授認為很難理解為何人類要運用引力波，因為電磁波的產生和接收要容易得多，而相比之下，索恩教授不認為人類在未來至少50年內能夠掌握產生和接收引力波的通訊手段。

而韋斯教授的回答一如既往的一針見血。他建議聽眾們完全不要聽信任何與引力波通訊之類有關的話題，因為那些都完全是胡言亂語，他完全不相信這是可能的。

八、引力波探測補上了愛因斯坦相對論的最後一塊拼圖？

索恩教授表示，這當然是對愛因斯坦一個預言的直接驗證，但他並不確定也並不關心這是否是所謂「最後一塊拼圖」，因為這「不有趣」。他認為，真正有趣的，真正應當去關心的是引力波的直接探測對於宇宙的研究究竟意味著什麼。他表示，如果這項工作的目的僅僅是檢驗愛因斯坦的額理論，那麼他絕不會為此投入那麼多的時間和精力。引力波信號的檢測打開了我們觀察宇宙的全新窗口，這一點遠比檢驗愛因斯坦的理論來得重要。

韋斯教授回憶起2015年9月份LIGO首次檢測到引力波信號時的場景。他們發現探測器檢測到的引力波信號模式與理論模型預測的信號模式基本是完全吻合的。他表示，這是人類智慧的勝利，也是愛因斯坦的勝利。引力波信號的直接檢測是一個全新的領域，而愛因斯坦在100多年前給出的預測，與大自然在2015年向我們呈現的模式竟然是完全吻合的！

九、如果用一個詞來描述剛剛過去的2017年，你會用哪個詞？

索恩教授選的是「恐慌」（frightening），當然這不是指科學，而是指特朗普的上台。而韋斯教授也有同感。他提到2017年在美國出現了一場危機（crisis），並對特朗普政府的科學政策表達了直截了當的強烈批評，認為在特朗普政府眼中，科學已經不再是重要的了。他認為這是一個大問題。

十、引力波的探測會讓時空旅行變為現實嗎？

索恩教授的回答是：NO。引力波的探測不會有助於我們實現時空旅行。他認為要想真正理解時空旅行是否可行，人類需要最終理解量子引力理論，也就是將量子力學與引力理論統一起來。而在那之前，索恩教授認為我們將難以對時空旅行是否可行這一問題作出判斷。

十一、說一說新一年的展望

韋斯教授指出，過去的幾年裡引力波天文學領域取得了突破性進展，發現了很多新的黑洞，人類首次發現了雙黑洞系統，另外在2017年還首次檢測到雙中子星系統，這些都開啟了全新的科學。

展望未來，韋斯教授期待取得更多的新發現。比如說，確定這些黑洞究竟是從何而來的？我們還將不斷揭開一些新現象背後的奧秘，還有些現象我們只是知道現象而已，卻不知道其背後的機制。比如說雙中子星系統。人們猜測存在著這樣的系統，但這是我們首次真正觀測到其存在。另外理論學家預測雙中子星合併事件可能是產生宇宙中伽馬射線暴的來源，而這次終於得到了證實。

另外，我們現在終於可以比較有把握的說，宇宙中相當大一部分的重元素是在雙中子星合併事件中產生的。這一情況此前就已經有理論預言，但這次也是首次得到了觀測證實。

但我們還不清楚超新星爆發時的恆星內部情況，但引力波將有望比其他任何手段都更加有效地幫助我們做這樣的觀測。諸如此類，引力波探測將打開一扇全新的窗口，讓我們以一種前所未有的全新視角去看待宇宙和各類現象。

所索恩教授則強調了新一年裡必須腳踏實地繼續前進，不斷致力於改善包括LIGO在內世界各國引力波探測裝置的技術水平和靈敏度，以期待更多，更大的新發現。

正如韋斯教授所言：「引力波天文學前景光明，而我們非常榮幸能夠成為其中的一員。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！