在宇宙的某个地方,两颗恒星相继死亡,形成了两个黑洞,几十亿年之后,这两个黑洞发生碰撞,合并为一个大黑洞,最后的两百毫秒时间里,向宇宙发射出极其强大的引力波。2015年,引力波跨越了14亿光年的距离来到了地球,被位于美国的LIGO探测器探测到。这是人类第一次听到黑洞碰撞的声音。今年10月3日,瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩,以表彰他们为“激光干涉引力波天文台”(LIGO)项目和发现引力波所做的贡献。
引力波的发现被誉为是补全了爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图”,是过去100年最重要的宇宙学发现,也激发起大众对引力波系列图书的兴趣。
诺奖得主基普·索恩早些年的作品《黑洞与时间弯曲》有点像物理学编年史,讲的是在空间和时间上的革命及其重要结果。《星际穿越》是给影迷看的天体物理学科普书。为什么黑洞会吞噬一切,甚至连光都不能幸免?为什么虫洞不是一个洞,而是一个球?基普·索恩作为电影《星际穿越》的科学指导,以浅显易懂的语言破解了宇宙中的让人瞠目结舌的奇景——大爆炸、黑洞、时空弯曲、潮汐力、虫洞、引力弹弓、星际旅行等。
《星际穿越》还说到了科学如何改变娱乐的。比如说,刚开始使用的是过去的科学家和电影制作者的标准算法来计算光线,从光源(比如遥远的恒星出发)到达虚拟摄像机(在黑洞附近)的传播路线,这些光线就可以构成看到的图像。但是如果是在巨幕电影上,即使是2300万条光线产生的图像,当恒星在屏幕上移动的时候,图像依然会闪烁,所以科学家奥利弗提出一个改进的方法,不再计算一条条单独的光线路径,而是计算光速的截面形状和传播路径。索恩给了奥利弗必要的方程,一起工作了好几个星期,来完善新的方法,果然,图像的闪烁消失了!后来索恩等人还就此写了一篇技术论文。
对大众读者来说,最通俗好看的当数《引力波》。作者珍娜本人也是一位物理学和天文学教授,她采访了诸多LIGO项目的参与者,记述了引力波如何被发现的故事。
雷纳·韦斯的人生道路始于一个梦想:可以轻轻松松地听音乐,而从2005年开始,他放弃了麻省理工学院物理学教授这个令人尊敬的职务,一心一意待在4000米长的混凝土管道里,测量潮湿阴冷、黄蜂成群的密闭空间中发生的地震震动,收听时空震荡发出的声音。
基普·索恩从小的志向是开铲雪车,但是八岁那年母亲带着他参加了一个天文学讲座,他的职业规划发生了变化。
他们都经历过二战,他们现身于天体物理学原因非常简单,追求纯粹的知识,而这些知识不属于私人所有,而是全人类共有。
项目的推进非常不顺利。包括为这个项目建造实际可行的探测器需要巨额的经费,如何申请到经费,也是一场旷日持久的拉锯战。
LIGO这个名字是雷纳想出来的, LIGO项目集纳了全球多地几百名科学家。要把这么多人团结在一起是一件很不容易的工作。合作过程中间,共同担任LIGO的第一任指导委员会成员的三个人:雷纳·韦斯、基普·索恩、罗纳德·德雷弗,因为个性不同,处事风格不同而产生了很多矛盾。因为和第一任项目负责人意见不一,罗纳德被踢出项目组,谣传有一天不得不从窗户爬进办公室。罗纳德给LIGO留下了许多基础性的设计,一度被认为如果不死的话,很有可能获得诺贝尔物理学奖。取代他得奖的是巴里什——第二任的项目负责人。巴里什的管理手段巧妙,效率极高,增强了科研人员的凝聚力,也废除了对罗纳德的禁令,鼓励他重新回到这个项目。不幸的是,罗纳德患上了阿尔茨海默病,于今年3月7日离开了人世,享年85岁。
为了“在相当于地球周长1000亿倍的距离上测量出比人的头发丝直径还要小的长度变化”,无数科研人员全身心地投入到引力波探测实验当中。一支规模达数百人的国际性研究团队,建造了两台灵敏度非常高的巨型探测器。他们一直在跟时间赛跑,希望在爱因斯坦提出引力波概念100周年纪念日到来之前,能聆听到来自遥远太空的“引力波蓝调”。
基普·索恩在《黑洞与时间弯曲》中引用了爱因斯坦的一段话:“在黑暗中默默探索的岁月里,真理似乎唾手可得但又无以言表的感觉,让我们萌生强烈的探求渴望,让我们忍受自信与疑惑的交替折磨,直至最后我们拨云见日,一切豁然开朗。但是其中的酸甜苦辣,没有亲身经历过的人是无法体会的。”无数的科学家在强烈探求渴望的驱使之下,辛勤耕耘,在黑暗中默默探索“那似乎唾手可得而又无以言表的真理。” (南湘)