诺奖获得者基普·索恩:引力波是探索宇宙的理想工具

咸鱼帮帮主
发表于 2018/11/04

诺奖获得者基普·索恩:引力波是探索宇宙的理想工具

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!

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