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讓諾獎蒙羞的傳奇女神:她沒有獲得諾貝爾獎,僅僅因為她是女人

2016年,LIGO合作組宣布觀測到引力波,2017年度的諾貝爾物理獎就頒發給了LIGO合作組的美國科學家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩,這創造了從成果公布到獲得諾獎最快記錄,古老的諾貝爾獎委員會第一次有如此高的效率,要知道諾貝爾獎委員會對於頒獎一向保守,科學成果必須要確保其正確性,諾貝爾獎委員會態度謹慎自然有其道理,因為頒錯一次就會成為世界的笑柄,而且諾獎也確實頒錯過,當初諾獎委員會就曾因費米發現93號元素頒發給了費米諾貝爾獎,隨後哈恩的實驗證明這是一個錯誤的結果,高風亮節的費米立即檢討了自己的錯誤,不過之後費米對鏈式反應的研究證明了自己無愧於諾貝爾獎,由於費米的偉大,這次諾貝爾委員會還不算太難堪,不過這也堅定了諾獎委員會「寧肯錯殺一千,絕不放過一個」的態度。

這次諾獎委員會效率如此之高,一則是LIGO團隊公布了觀測細節,使任何一個科研團隊都可以驗證結果,二則或者說是更重要的是人類對引力波的尋找已經持續了一個世紀,都已經迫不及待了。

一、愛因斯坦的猶豫

在蘋果砸到牛頓爵士頭上的那一瞬間,爵士看到了上帝,在牛頓爵士看來,力是上帝之手推動的,既然是上帝推動的,那麼就是先驗的,是不需要考慮其原因的,力是超距作用的,其傳播不需要時間,在產生的一瞬間就會對周圍的事物產生影響,作為上帝的代言人牛頓爵士當然可以這麼認為,但是魔鬼之子愛因斯坦卻不這麼想。

愛因斯坦認為引力是時空彎曲的一種效應。這種彎曲是因為質量的存在而導致。通常而言,在一個給定的體積內,包含的質量越大,那麼在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候,曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下,加速物體能夠對這個曲率產生變化,並且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現象被稱之為引力波。

引力波示意圖

說簡單點就是時空命令物質如何運動,而物質則引導時空如何彎曲,當物質的分布發生改變時,時空也會發生相應的變化,這種變化以光速傳播,就是引力波。

說人話就是向池塘中扔進去一顆小石子,水波會傳到池塘的每一個角落,這就是引力波,不過宇宙這個池塘太大了,就算太陽這麼大的石子扔進去,也只不過類似於一粒灰塵落到了池塘表面,其引力波是非常弱的,基本不可能會被觀測到,要想觀測到引力波,至少需要兩個脈衝星那麼大的質量,這次LIGO團隊就是觀測到的兩個黑洞產生的引力波。

而當時無論脈衝星還是黑洞都是理論構想,還沒有觀測到實際存在,所以愛因斯坦這下也有些猶豫,因為廣義相對論太複雜了,就連愛因斯坦本人也經常對自己的理論有些拿不準,當初為了保持宇宙的靜態,愛因斯坦曾畫蛇添足地在宇宙方程中加了一個宇宙常數,後來哈勃發現了宇宙膨脹,才證明宇宙常數毫無必要,這被愛因斯坦稱為「一生中最大的錯誤」,這次對於引力波,這到底是數學遊戲,還是物理存在,愛因斯坦謹慎起來,此後對引力波基本閉口不言,畢竟自己打自己的臉不是什麼好玩的事情。

愛因斯坦不想被打臉,可想打臉的人大有人在,要想打愛因斯坦的臉可不是件容易事,量子力學整個學派在帶頭大哥玻爾的帶領下才能一捋虎鬚,這次站出來的是「物理頑童」費曼,此公也是一個傳奇,一生豐富多彩,物理研究對於他來說只是業餘愛好,他的傳記就叫做《別鬧了,費曼先生》。

上世紀五十年代,費曼用「粘珠思想實驗」證明了引力波的存在,在愛因斯坦臉上輕敲了一記,對於經常用思想實驗刁難玻爾的愛因斯坦來說,可謂是「以彼之道,還施彼身」。

「粘珠思想實驗」大意是想像一個珠子穿在一根柱子上,並且可以自由移動,垂直於柱子方向如果有引力波經過,將會產生相對於柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下會相對柱子運動,如果有摩擦就會產熱,所以引力波是物理實際的。

通俗來講就是引力波在理論上會導致物體摩擦生熱,而熱自然是能量,所以引力波肯定有能量,既然有能量,引力波肯定就是物理實在。

二、再見,韋伯的引力波

既然引力波已經被推論是物理實在,那麼就開始觀測吧,第一個觀測引力波的是韋伯。

韋伯是電子工程師出身,在激光研究方面頗有建樹,曾與諾貝爾獎擦肩而過,這次對引力波志在必得,韋伯藉助電磁波技術,製造了名為「韋伯棒」的引力波天線,其實就是一個鋁製的大圓筒,如果引力波的頻率跟「韋伯棒」的共振頻率一致,便會引起它的收縮和拉伸效應,將這種效應通過安裝在圓柱周圍的壓電感測器檢測出來,轉換成電信號並使用電子線路進行放大後輸出,便可得到相應的引力波的圖像。

韋伯和他的「韋伯棒」

為了避免地震和其它振動的干擾,韋伯在相距1000千米的地方放置了兩個相同的韋伯棒,只有當兩個探測器都同時檢測到振動的時候,信號才被記錄下來。為了減少能量損失,韋伯還聰明地把「韋伯棒」用細線懸了起來。

「韋伯棒」和高大上的LIGO比起來確實簡陋了許多,不過韋伯還是宣稱觀測到了引力波,一時間,韋伯迅速成為了學界明星,四處演講,所到之處,迷弟遍地,風光一時無兩,只是諾貝爾委員會卻保持了沉默。

隨後,各國科學家都紛紛建造韋伯棒,用更精密的方法來觀測引力波,可結果讓大家很失望,沒有一個觀測團隊觀測到引力波,大家一致認為,韋伯觀測的可能是雜訊。

當時在牛津,對會議新聞報道的標題就是「再見,韋伯的引力波」。

韋伯對引力波的觀測雖然失敗了,但也是一個偉大的創舉,只是限於當時的技術條件不能達到觀測精度,作為激光技術的先驅,韋伯也曾想到過用激光干涉技術觀測,不過也由於當時激光技術不穩定而未能付諸實踐。

韋伯雖然失敗了,但是在另一個領域裡卻取得了可喜的成果,對引力波的探測起了巨大的作用,科學也罷,人生也罷,往往都是這樣,換一個方向,或許會得到意外的驚喜。

三、「小綠人」的呼喚

五十年前,英國劍橋大學卡文迪許實驗室一年級研究生喬瑟琳.貝爾通過「紅岸一號」,不,是行星際閃爍陣列射電望遠鏡,觀測到一個奇怪的信號,這個信號有嚴格的周期性,每隔1.33秒出現一次,每天出現的時間都大約提前4分鐘,無論怎麼看這都是一個地外文明發出的溝通信號,難道是某個還沒有頓悟「黑暗森林」的文明發出的作死信號,又或者是某個「獵人」文明發出的誘捕信號,如果電工劉在場,一定會高呼「不要回答」,不過貝爾沒有電工劉的想像力,他們還給這個信號取了一個萌萌噠的昵稱——「小綠人一號」,看來他們真的以為這是地外文明的呼喚了。

不過貝爾並沒有回答,一則是沒有能力回答,二則貝爾很快就發現這不是小綠人的信號,而是脈衝星。

脈衝星

脈衝星就是高速旋轉的中子星,中子星概念由朗道提出,是恆星演化成黑洞之前狀態,其密度僅次於黑洞,質量當然也是相當地大,對時空扭曲的影響自然也是相當地大,那麼能不能靠觀測脈衝星來觀測引力波呢?

答案是肯定的,1974年由馬薩諸塞大學的羅素·胡爾斯和約瑟夫·泰勒使用阿雷西博射電望遠鏡發現了脈衝雙星,間接證明了引力波的存在。

依據廣義相對論,當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時,該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量,所以系統總能量會越來越少,軌道半徑和周期也會變短。

而脈衝星因為其精確的周期性脈衝信號,可以測得其繞質心公轉時的軌道的半長軸和周期,只要測出這對脈衝星每年的周期和半長軸的減少量就可以間接證明引力波的存在。而對脈衝雙星的觀測恰恰證明了這一點,愛因斯坦的噩夢終於可以結束了。

人類的好奇心永遠不能輕易滿足,那麼是不是可以直接觀測到引力波呢?那就試試吧。

首先需要比脈衝星質量還要大的天體,就是黑洞了,還需要比「韋伯棒」更精密的觀測工具,那就是LIGO了。

當初引力波探測的先驅韋伯在用「韋伯棒」探測引力波失敗後曾設想過激光干涉技術觀測,不過也由於當時激光技術不穩定而未能付諸實踐。

現在激光技術發達,使得建設LIGO成為可能,LIGO的原理並不複雜,說白了就是一個大型的邁克爾遜干涉儀,就是當年證明以太不存在的那個邁克爾遜干涉儀,說起來還真有些宿命的安排,當初邁克爾遜干涉儀證明了以太不存在,引出了狹義相對論,現在又是邁克爾遜干涉儀出手,證明了廣義相對論的猜想。

LIGO

需要說明的一點的是,當時各國都在建造引力波探測器,中國有太極與天琴,義大利有VIRGO探測器,日本有KaGRA探測器,假以時日,大家都會觀測到引力波,只不過LIGO領先一步。

要獲得諾貝爾獎,不但要看實力,還要看運氣。

這次諾貝爾獎物理獎可謂實至名歸,畢竟這已經是一百年的追尋了,如果說要有一點遺憾的話,就是對於蘇格蘭物理學家羅納德·德雷弗,這位LIGO探測器的聯合創始人,於2017年3月7日逝世,距離諾貝爾獎頒獎僅有7個月時間。

不過羅納德·德雷弗還看到了曙光,還不算最遺憾,最遺憾的是發現脈衝星的喬瑟琳.貝爾。

四、被忽視的智慧之花

1974年的諾貝爾物理獎被稱為「TheNoBellNobe」(沒有貝爾的諾貝爾獎),這一年她的導師安東尼·休伊什教授領取了諾貝爾獎,而貝爾根本就沒有被提起。

喬瑟琳.貝爾

是因為貝爾女士的導師安東尼·休伊什教授的學閥作風壓制了貝爾嗎?並不是,當時論文的第一作者是安東尼·休伊什教授,第二作者就是喬瑟琳.貝爾。

是因為貝爾的學生身份嗎?也不是,後來發現脈衝雙星的羅素.胡爾斯和貝爾一樣,當時也還是研究生,也和導師師約瑟夫·泰勒一起獲得了諾貝爾獎。

是因為貝爾的工作簡單嗎?只是坐在望遠鏡前分析一下數據,是一個科學民工都可以做好的工作,也不是,要想在浩如煙海的數據中找到脈衝星的信號基本類似於在漫天大雪中找到兩片完全相同的雪花,稍不留心就會淹沒在數據大海中,這項發現不但需要敏銳的觀察力,還需要極高的理論素養。

貝爾之所以沒有獲得諾貝爾獎,只因為她的性別。

諾貝爾獎從來就是不公的,獲得諾貝爾獎不但要靠實力,還要靠運氣,甚至還要考慮偏見。

偉大的愛因斯坦只獲得了一次諾貝爾獎,憑他的成就完全有資格獲得五次諾貝爾獎,其中原因之一就是愛因斯坦是猶太人,而當時德國的反猶主義已經抬頭,有反猶傾向的人已經影響了諾貝爾獎委員會的態度,諾貝爾獎委員會畢竟是人間的組織,還要照顧政治影響。

而諾貝爾獎最大的不公就是對女科學家。

說起獲得諾貝爾獎的女科學家,第一反應應該是居里夫人,居里夫人曾兩次獲得諾貝爾獎,已達人類巔峰,其女兒女婿小居里夫婦也斬獲諾貝爾獎,堪稱世界上最成功的母親與丈母娘,小居里夫婦的學生錢三強何澤慧夫婦的鈾核三裂變成果也是諾獎級的,所以居里家族簡直就是諾貝爾獎專業戶,然而居里夫人出身寒微,如果不是和居里結婚,根本就沒有資格從事科學研究,更不要提獲得諾貝爾獎了。

不管怎麼說,居里夫人還是幸運地獲得了承認,而幾乎憑一己之力發現脈衝星的貝爾甚至沒有被諾貝爾獎委員會提起,只是因為她的性別。

楊振寧和李政道憑藉「宇稱不守恆」第一次代表中國斬獲了諾貝爾物理獎,而做實驗驗證其理論的吳健雄博士則又一次因為其女性身份被無視了,我們也只能依靠《第二次握手》想見吳博士的風采。

被稱為「CDMA教母」的海蒂.拉瑪之所以受到熱捧,更大程度上是因為其美貌,而不是因為她在跳頻技術上的貢獻。

上帝從來沒有忽視女性,他創造了聖母瑪利亞來拯救人類,詩人也從來沒有輕視女性,歌德在《浮士德》的結尾曾說道:永恆之女性,引導人類上升,而偏偏是作為文明開創者的科學,卻在歧視女性,這不能不說是一個諷刺。

更讓傲慢的諾獎委員會蒙羞的是貝爾的態度。

「也許世界本不公平,但重要的是,你如何看待並應對世界的不公。」在被問到錯失諾獎對她的影響時,貝爾如此答道,此後,貝爾幾乎獲得了除諾貝爾獎之外的所有大獎,而且還通過各種活動來提高女性的地位,使女性更多擔任物理學和天文學的學術職位。

這些人類歷史上最絢麗的智慧之花在乎的是她們曾經開放,對她們談起名利似乎是對她們的另一種輕視,她們永遠不會老去,永遠盛開在人類的智慧園中。

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