基普·索恩：捕捉“时空的涟漪”

尹传红

作为当今世界研究广义相对论下天体物理学领域的领导者之一，基普·索恩长期致力于宇宙时空弯曲的研究，创建了全球知名的LIGO项目，为研发新一代引力波探测器技术作出了重要贡献。

生长于美国犹他州洛根市落基山下的基普·索恩，打小就对铲雪车情有独钟。他曾梦想长大后能够成为一名铲雪车司机—那是当时他所想到的最荣耀的一份工作了。

然而8岁那年，当索恩那位拥有经济学博士学位的母亲带他去听了一场天文学讲座后，他的志向就发生了巨大的转变—对天体物理学产生了浓厚的兴趣。那天一回到家里，他就听从母亲的建议，自己动手做了一个太阳系的模型。

1958年秋，索恩进入了走在物理学研究前沿的加州理工学院。4年后，他又去往普林斯顿大学，师从“美国物理学之父”约翰·惠勒，攻读博士学位。由此他步入黑洞与量子力学的研究行列，并在30岁时成了加州理工学院历史上最年轻的正教授，也是研究广义相对论的第一代物理学家。

惠勒最为世人熟知的成就是创造了“黑洞”这个简洁、贴切、概括性极强的词汇，用来解释宇宙中大质量超巨星坍缩时产生的现象，以取代先前的一个说法—“引力完全塌缩”。惠勒教学和研究的方法也独具特色，他鼓励自己的学生探寻那些对了解宇宙有意义的巧妙的解决方案，并且常常引述他的老师、丹麦著名物理学家尼尔斯·玻尔的话：“任何深刻真理的反面也是一个深刻的真理”，以此告诫学生们给任何相反的假设以充分的重视。索恩回忆，他在加盟惠勒团队仅仅一个小时后，“思想就发生了翻天覆地的改变。”

索恩还记得，有一天，惠勒急匆匆地跑进自己上相对论课程的教室，向大家宣布了刚由两位物理学家成功完成的一项模拟实验—恒星濒临死亡时会向内聚爆。这意味着，如果恒星内核足够重的话，整个宇宙中没有任何力量可以阻止引力创造出黑洞。此时的索恩，正倾情于纯粹意义上的天体物理学，以期通过引力奏响的奇妙乐曲，为揭示宇宙奥秘打开一扇大门。

爱因斯坦的奇异“遗产”

索恩欲在天体物理学领域一展身手的那个时期，无论是天体物理学家，还是天文学家和相对论学者，都兴奋地意识到，相对论与天文学的大融合已然开启，并将迎来一个创新期和转折期。特别是，爱因斯坦在20世纪早期预言的引力波，引发了极大的关注。

爱因斯坦那时已认识到，就像电磁波中的无线电波是由电荷在天线中上下流动时产生的那样，当物质来回移动时，引力辐射波随之产生。这可以理解为时空结构或时空曲率的波动，而曲率就像落入水塘的石头在水面上激起的涟漪一样传播。那是伴随宇宙中最猛烈事件而产生的“隆隆回声”。天体物理学家们相信，由黑洞本身产生的引力波信号，可以作为黑洞存在的直接证据;而他们正是想通过探测引力波来证明黑洞的存在。如果探测到了源自黑洞的引力波，黑洞理论将会获得最终证实。

可是，爱因斯坦本人并不十分确定引力波是不是真的存在，不少研究者也持懷疑态度。初涉这一研究领域的索恩起先同样感到茫然，直到1963年夏的一天，他在阿尔卑斯山参加广义相对论引力定律暑期讲习班时，与美国一位杰出的物理学家的邂逅并交谈，改变了他的看法。

一种探索宇宙奥秘的使命担当

约瑟夫·韦伯第一个充满远见地认识到，测量引力波并不是完全没有希望，他在20世纪60年代初还是世界上唯一一个致力于寻找引力波的实验物理学家。在瑞士迷人的湖光山色中，他跟索恩讲引力波和他的探测计划，指出需要的基础在于实验，也就是探测器的设计、建造和不断的改进。这一切都令索恩深深着迷。

不过，年轻的索恩也提出了他的不同见解，认为基础在于理论，要搞清楚广义相对论关于引力波如何产生，如何在离开时对波源反作用，如何传播;还应该判断，哪类天体会产生宇宙间最强的引力波，以多大频率振荡;我们还应发明一些数学工具来解开这些天体产生“交响曲”背后的秘密。这样，当最终探测到引力波时，理论和实验才能进行对比。

尽管关于黑洞存在的各种证据在20世纪60年代和70年代争议颇大，索恩依然坚信引力波确实存在，他可以深入研究那些奇异的黑洞，来了解它们吞噬恒星、产生引力波的理论细节，他觉得这些“宇宙信使”必定会打开一扇观测宇宙的新窗口。

在前往美国东北部的一次旅行中，有一天深夜，当索恩漫步于一个陌生的街道上时，蓦然萌生了一个信念：他应该带领加州理工学院，走到引力波探测这条道路上来，虽然它很可能满是荆棘曲折。他甚至感悟到了自己身上有一种探索宇宙奥秘的使命担当。

“默契得难以

言喻”

1975年，索恩的一位俄罗斯好友列昂尼德·格里修克提出了一个令人吃惊的预言：宇宙大爆炸会产生大量引力波。他认为，这些引力波有一种特异的产生机制：来自大爆炸的引力量子涨落（在空间中任意一点处能量的暂时变化），会被宇宙初始的膨胀显著地放大，它们就形成了原始引力波。如果这些引力波能够被发现，那么它们就可以帮助我们一瞥宇宙诞生时的情形。

就在这一年，索恩遇到了他事业上的一个“知音”—麻省理工学院的雷纳·韦斯。他们一同参加美国国家航空航天局举办的一次会议。索恩参会的目的，是为即将向加州理工学院提交的成立引力实验研究项目组的申请报告搜集相关资料，他知道韦斯早在1969年就设计出了干涉仪式的引力波探测器。

两人一见如故，“默契得难以言喻”。在随后的日子里，他们又不时相聚，“经常秉烛夜谈”。韦斯回忆说：“我们在一张纸上画了一幅很大的图，呈现出引力研究的所有方面。未来的方向在哪里？或者说，我们会有什么样的未来，要做哪些事情？”

在索恩、韦斯等人的不懈努力下，一套大科学装置——激光干涉仪引力波天文台（LIGO）被建立并启用。在这个分布于数个地方的庞大网络中，都有几千米长的干涉仪在全天候地运行、扫描天空并寻找远道而来的引力波。它们形成了一个全息的国际探测网。

2015年9月14日，LIGO宣布首次观测到引力波。此次引力波来自13亿光年以外的两个黑洞（分别为29倍和33倍太阳质量）的碰撞融合。

2016年2月11日，美国华盛顿国家科学基金会的大厅里，LIGO天文台研究组的负责人走上讲台，一字一句地说道：“我们……已经探测到了……引力波！我们做到了！”会场顿时掌声雷动。随后，索恩、韦斯与科学合作组织的发言人共同详细地介绍了发现结果。

2017年10月3日，瑞典皇家科学院宣布：2017年度诺贝尔物理学奖授予三名美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他们“在LIGO探测器和引力波观测方面做出的决定性贡献”。

“引力波将成为未来几年、几十年甚至几个世纪人类探索宇宙的强有力工具，”77岁的索恩获奖后接受媒体采访时说，“这是全人类的胜利。”endprint