诺奖获得者基普·索恩：引力波是探索宇宙的理想工具

　　11月4日消息，2017年诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩在2018年腾讯WE大会上以引力波为主题发表了演讲，基普·索恩是当今世界最权威的理论物理学家之一，致力于对黑洞、引力波等天体物理现象的研究。

　　今年已经78岁的基普·索恩，从8岁开始就爱好天文，13岁立志成为天体物理学家。他说：“科学本身就有很多乐趣，你每天观察研究它，每天都会有新的不可预知的变化或惊喜。”

　　基普·索恩一直致力于将把爱因斯坦认为的不可能变成可能，“引力波将为人类理解宇宙带来革命。”这个信念贯穿了索恩一生。他在会上表示从学生时代开始就立志用理论和观察探寻弯曲的世界。

　　诺贝尔大会曾经这样评价引力波的发现：“2015年9月14日，人类历史上第一次探测到引力波。爱因斯坦在100年前预测了引力波，是由两个黑洞在合并时产生的。引力波抵达美国LIGO天文台需要经历13亿光年。

　　基普·索恩谈到现在可以去用引力波观测宇宙。“引力波，它们是空间形状本身的震动，电磁波是原子分子波的不均匀叠加所释放出来的，而引力波是质量和能量的牵连运动的均匀释放，它里面涉及到了大量的质量和能量，而电磁波是容易被灰尘或者其它的物质吸收或者分散，而引力波即使你临近了宇宙大爆炸，非常热非常密度大的地方也不会被大幅度的吸收或者是分散。” 因此，不同的波会有很大的不同。

　　谈到虫洞时，基普·索恩对记者说：“很遗憾，我们也不知道在宇宙当中是不是确实存在着虫洞，但是很有可能物理学原理会阻止虫洞的形成。虫洞即使能够形成，物理学原理也会导致其崩塌，使之不能够带任何的东西进行时间旅行。”而他在演讲中也说道，虫洞并不会在宇宙当中自然产生，需要有高级文明有意识的去创造和维持，再填充特殊材料，虫洞才能存在。

　　基普·索恩同时还是许多经典科幻艺术背后的科学顾问，曾经创作了《星际穿越》的电影纲要，故事灵感就来自于天体物理学中的黑洞、虫洞及时间膨胀。他首次将虫洞设计为时间机器，开创了科幻界的先河。在电影《星际穿越》中，他和制作团队合作，向人们展示了令人惊叹的宇宙黑洞“卡冈图雅”，这是迄今为止最接近于科学理论的黑洞艺术作品。2014年，《星际穿越》上映后，在全球引发热议。

　　另外，基普·索恩与霍金也是好朋友，二人曾经多次进行科学赌局，而每次都是霍金输，霍金还曾经输给索恩1年的成人杂志《阁楼》。据他透露，二人还经常聚在一起谈论生死与爱。

　　基普·索恩在演讲最后不无激动地表示：“400年前伽利略制造了第一个天文望远镜，他找到木星的四个卫星，这是400年前的事儿；在三年之前LIGO第一次观察到了黑洞碰撞所形成的引力波，我想有请大家也跟我们一起推测一下往后400年，我们将电磁波观测和引力波观测都结合起来，我们还会有更多更大的发现，大家可以尽情想象。”

　　 以下为Kip Thorne（理论物理学家基普·索恩）演讲全文：

　　1915年爱因斯坦提出了广义相对论，这实际上是一种物理学的定律，他告诉我们时空会被质量和能量弯曲。时间的弯曲会产生引力，也就是我们在地球上能够感知的引力。

　　50年之后，我到了普林斯顿大学读博士，作为一个博士生，我被告知我们的世界、宇宙有可能有弯曲的一面。我们在时空当中有一系列不同的物体、事物，我会给大家介绍其中的一些，比如说宇宙、虫洞、黑洞、奇点、时光旅行、引力波。

　　作为一个年轻学生，我给我自己设定了一个人生的目标，要用理论和观察探寻弯曲的世界。在今天的演讲中，我将给大家介绍，在过去的50多年当中，我们用这种方法了解到了什么。

　　在过去的56年里，包括我自己、霍金、Lisa Randall以及其他很多的同事们，都在共同探寻。我先给大家介绍一下体宇宙，就我的了解，太阳周围的空间是弯曲的，我们可以想象一下，在我们的宇宙当中有一个平面，它是一个三维的平面，形成了一个膜，这个膜又生活在一个四维宇宙当中，就成为了一个体宇宙。

　　我们在屏幕上的（示意图）能够描述二维世界，而我们生活在三维的世界当中。如果它围绕着太阳，如果它的直径只有几公里，那么这样的体宇宙是否真的存在？1962年，当时我们认为，这样的体宇宙并不存在，到了1999年，Lisa Randall告诉我们，这样的体宇宙有可能存在。

　　我也没有想到这一点，待会儿Lisa Randall会在她的发言当中给大家介绍体宇宙原理。如果我们看宇宙，一边是太阳系，也就是左边，另外还能够看到右边的仙女座，我们把它折起来，会看到距离仅有几公里——如果我们需要穿越体宇宙的话。

　　可以看到，从这样的虫洞当中，光线是可以穿越的，它就像一个光纤一样，这样的图形也能够让我们计算，虫洞的另外一边是什么样子。屏幕图片，是由我们的朋友Double Negative特效公司在制作《星际穿越》时候给我们展现出来。

　　我们不断地把虫洞打开，我们可以让土星的光线穿越、弯曲，我们就走到了仙女座，我们又用虫洞回去，这么长的距离，只要几分钟就可以过去。

　　我们再看一下虫洞，虫洞往往会自毁，会自己崩塌，我们怎么样才能够避免这一点呢？我们就是要用特殊材料去把它填充起来，它是一种反引力的效应，它能够去修复虫洞的侧壁。而且可以说，虫洞并不会在宇宙当中自然产生，需要有高级文明有意识的去创造和维持，再填充特殊材料，虫洞才能存在。

　　但有一个例外，尽管我们说虫洞是人为的，但是在非常小的尺度上比如说10的负33次方厘米，在这个微观尺度上，一种新的物理学理论量子引力学，能够去指导我们了解。这一点我后面还会多次提到，虽然我们对此并不是了解的那么清楚。

　　与此相对照的是黑洞，跟虫洞不一样，黑洞是在宇宙当中切实存在的，大家在左边可以看到，黑洞就像这个失败了的虫洞一样，它是从起点这边延伸出来，我们也想去了解一下到底黑洞是什么样子。在我们的宇宙当中，可以想象，在左上方有这么一个恒星，在右下方有一个摄像机，光从恒星射到右边的这个透镜当中，我们可以看到两边都有它的路径。

　　另外，还有一个光线是穿过这个世界之后再进入到摄像机，那摄像机它就能看到恒星不同的面貌，如果说有几百万个恒星的话就能看到几百万，宇宙当中气象万千。这是我的朋友詹姆斯与我模拟的。

　　我们可以看到黑洞在整个星系中移动的时候，对于恒星的面貌对有多大的影响，在我们的宇宙当中，我们旁边会有热的空气，这个里面会带走很多的能量，然后进入到宇宙的各个方面。

　　我们也是知道这一点，是因为我们看到有X射线以及可见光，它是由这个热气来抬升的。

　　对这个X射线还有光进行了分析，然后形成了这样的一个图像，在近期将会有这样一个世界望远镜，去呈现在银河系中心的一个巨大黑洞的实际景象，这里面我们已经看到有多个世界望远镜，它会去覆盖世界不同的地点，它们的数据会进行集成、整合。

　　它就能够看到远方非常非常细小的事物，包括了银河系的这些黑洞，我们怎么做到的呢？这个就是《星际穿越》这个电影当中的黑洞，它怎么出来的呢？其实很简单，光线从这个星际右后方出来，然后绕过黑洞以后进入到摄像头。

　　这个摄像头会认为，这是从黑洞的上方穿越过来的。那么从下面过来的这个是先下后上，进入到摄像机，它拍出来的是下部方的形象。

　　另外，由吸积盘直接穿过来的光能够形成星盘的面貌，这样就由摄像机拍出来黑洞是什么样子。

　　我再回到爱因斯坦关于时间弯曲的定律，他告诉我们，事物总是喜欢停留在它衰老最慢的地方，而且引力能够让他们聚合在一起。地球的质量会扭曲时间，而这个时间的弯曲会产生引力，有这样的引力才让大家安坐在礼堂的座椅之上。

　　我们能够感到，引力是很小的，它使得地球上的时间每100年才放慢一秒。第一次是高精度侦测是在1976年的时候，当时NASA放了一个距离地球一万公里远的卫星，用它的原子钟进行时间的计算，再与地面上测算的时间进行对比，它的准确性能够帮我们预测爱因斯坦的时间弯曲定律。

　　越是临近黑洞，引力越强，时间越慢。大家可以看到，这是黑洞的世界。假设有这样一个飞船停在这边，在这样的飞船上，它测的时间就会比地球上要慢一半，如果它继续往下走，接近世界，那么最后时间会慢到停止（跟地球相比）。

　　在黑洞之内，它比停止还要慢，时间会倒流，一直会降到黑洞的中心，也就是起点，在这个地方广义相对论会失败，会由量子力学来替代，而这个现在我们还不太理解，虽然我们很想理解。

　　说到底物理学告诉了我们，时间穿越回过去会是怎么样的。但事实上，首先时间滚滚向前，无法回到过去，比如说我们旁边有我的朋友，时间会让你们向一个方向走，而不可能说我向前，而你或者我的朋友往后走，这是物理学完全所禁止的。

　　另外一方面，广义相对论告诉我们，我们在太空旅行的时候，时间是一直向前，如果在当地来讲的话，有可能在你还没有开始的时候便已经返回了，这是一个很奇妙的事情。

　　另外，量子物理学告诉我们，你的旅行会导致一个时间机的启动，但是这个时间机在启动之后，一会儿向前，一会儿向后，有可能会受到一个巨大的爆炸而毁灭。

　　这个爆炸就是因为光线当中的真空不稳定所导致的爆炸。只有量子引力学才能够准确的告诉我们，实际上是怎么样的，这是霍金和我在90年代初的时候，我们一起来做的课题。

　　我们再回到引力波，就爱因斯坦来看，它使得空间弯曲，以光速旅行。我们有这样的一个例子，它在宇宙当中自由运动，当引力波过来的时候会使得空间伸或者缩，这个时候我们就可以看到所谓伸缩的效应，它可能一个方向拉，另外一个方向压，都有可能。

　　这就是爱因斯坦对于引力波的理解，在1972年的时候，我开始跟我的同事和学生一起创立了一个理论，我们能够侦测引力波，我们可以想象到引力波对于天文学的意义，我们可以对比电磁波和引力波，过去我们所使用的观测手段都是电磁波，而现在我们可以去用引力波观测宇宙。

　　引力波，它们是空间形状本身的震动，电磁波是原子分子波的不均匀叠加所释放出来的，而引力波是质量和能量的牵连运动的均匀释放，它里面涉及到了大量的质量和能量，而电磁波是容易被灰尘或者其它的物质吸收或者分散，而引力波即使你临近了宇宙大爆炸，非常热非常密度大的地方也不会被大幅度的吸收或者是分散。

　　这个就告诉我们说，不同的波会有很大的不同。

　　第一，引力波由于它是由弯曲的空间所形成的，它是一种去探索弯曲宇宙的理想工具。

　　第二，它很有可能会引导我们的宇宙观，以及对于宇宙理解的革命，在1972年的时候，我的同事们和我一起提出了这样的一个设想，之后麻省理工的教授们，他们发明了这种激光干涉引力波的观测手段。

　　假设说，我们有两组不同的激光各自观测，有不同的发现，引力波会把这个镜子往一边来推，另外一边也会有它的镜子，在镜子之间会有升和压，它就会告诉我们到底引力波是有一些什么样的作用，这个是Weiss他提出的，我们后来又想去用激光器来进行测量，我感觉到非常的激动，一旦我搞明白了这个，深刻了解这个思想，以及它成功的可能性，我们就和麻省理工的团队一起去建设这样引力波的观测工具。

　　1994年是由Barish——他曾来过WE大会，他当时说，这些方法手段有多么的复杂，到底多难才能观测到（引力波），所以他就把这个团队扩大了，这也是成功所必要的。

　　现在，一共是在20个国家有1200名科学家一起来参与，包括在中国。

　　在2015年的9月14号，LIGO第一次侦测到了引力波，他们从地球上空穿过，也作用到了我们侦测器所在的路易斯安那，另外也作用到了华盛顿哈佛观测站，这两边我们比较了它的引力波所导致的振动，然后再用计算机去进行模拟，我们认为来源是两个黑洞，他们都要远重于太阳，他们在13亿年以前相互碰撞，在非常遥远的星系，如果我们在那的话，我们的眼睛也会看到。

　　他们的碰撞融合释放了大量的引力波出来，如此大的能量。在这边大家可以看到，碰撞如果从体宇宙那边看是什么样子，每一个黑洞，时间的放慢由颜色来表示，越是近越是慢。

　　我们看到，下面是碰撞发生时候的情况，它就像是一个巨大的风暴，就像在海里的风暴是一样的，出现了振荡，引力波就飞散出去了。

　　可以说世界上所有恒星的能量都加在一起，那么这个续航能量相当于那个的15倍。我们可以看到，在今后的十年，还会由他来侦测到更多的几千次的碰撞。

　　我们在意大利也曾经观测到了中子星的碰撞，每一个中子星大概直径20公里，大概100倍于太阳的质量，他们碰撞的时候会产生一个巨大火球。

　　大家可以想象一下，其中25%都会形成电磁波。世界天文学家都会去看中子星碰撞的后果，当然引力波在传播的时候会有几个小时的时差。

　　那我们到什么地方能够看到？还能看到一些什么呢？我们可能会看到黑洞撕裂中子星，这是一个模拟，大家可以看到是一个非常奇妙的视觉体现，这就是黑洞撕裂中子星的情况。

　　同时我们也能够探索宇宙的诞生，宇宙大爆炸在引力波当中所产生的东西，都是由量子物理学来控制的。

　　在这边我们可以看到，会有一个巨大的膨胀，这种膨胀是一种非常快速的宇宙膨胀，尤其是在宇宙形成的早期是这样的。

　　我们可以看到，会有本初引力波，我们会从中了解到大爆炸以及量子引力学的一些知识。我们也可以知道宇宙膨胀的情况。

　　最后，400年前伽利略制造了第一个天文望远镜，他能够找到木星的四个卫星，这是400年前的事儿，在三年之前LIGO第一次观察到了黑洞碰撞所形成的引力波，如果我们再追溯100年，我们可以看到电磁波给到我们多少的变化，在这400年来科学有如此大的发展，甚至我们还能够提出宇宙的弯曲。

　　我想有请大家也跟我们一起推测一下往后400年，我们结合了引力波观测，也将电磁波观测和引力波观测都结合起来，我们还会有更多更大的发现，大家可以尽情想象，谢谢！

　　（原标题：诺奖获得者基普·索恩：引力波是探索宇宙的理想工具|引力波|宇宙|霍金）