引力波探路者們「盲目」的樂觀

距離LIGO探測到引力波獲得諾貝爾物理學獎已經過去了十幾天了，一直沒抽出時間寫點什麼。隨著引力波電磁對應體被發現的「謠言」不脛而走，再加上下周一晚全球多家天文台（包括紫金山天文台）將同步發布某重大發現的公告在網上被奔走相告，最近關於引力波的討論熱潮一點沒有退卻，反而愈演愈烈。引力波研究的光明前景已經毋庸置疑，想想就不禁令人激動。

然而，對於那些偉大的征程，即便前途是光明的，最初的道路依然是曲折的。前幾天在朋友圈讀到Preskill（加州理工的費曼講席教授）2016年2月11日的一篇博文[1]，那是LIGO探測到第一例引力波事件開新聞發布會的當天post的。文章的最後幾段簡單翻譯如下：

45年前，Kip在引力物理的聖經MTW一書的37.10小節展望未來中總結到：

"建造這樣的引力波探測器的需要客服無數的技術困難。但是物理學家們是才華橫溢的，在Joseph Weber先驅性探索的激勵和推動下，在對科學探索充滿興趣的廣大公眾的支持下，所有的障礙都必將克服。"

這就是我們所謂的遠見。你也可以將其稱為盲目的樂觀，但沒有這種樂觀一切後來稱之為偉大的設想都不會變成現實。

僅僅樂觀還是不夠的。對於像探測引力波這樣的事，我們還需要獨出新裁的技術，充滿智慧的領導，堅持不懈的恆心，克服逆境戰勝困難的決心以及成百上千的科學家和工程師的艱辛付出。更不用提國家科學基金委對這樣一個充滿風險的項目數十年如一日的支持所展現出來的勇氣。

圖1：Joseph Weber和他的引力波探測棒，攝於1965年。

關於引力波探測，Kip的盲目樂觀遠不止如此。

Kip在《Spacetime Warps and the Quantum World: Speculations about the Future》[2]一文中曾經對引力波的前景充滿期待的給出了 10個預測。順便說一下，Kip的那篇文章由他的弟子Richard Price編在一本叫《The Future of Spacetime 》的文集里，那是2000年Kip的60歲壽辰期間，幾位大牛做的報告的彙編，其中包括幾十年的摯友Stephen Hawking，Igor Novikov, 得意弟子Richard Price，Alan Lightman和科普作家好友Timothy Ferris等。

圖2: Kip Thorne和激光干涉引力波天文台（LIGO）.

我們不妨來看看Kip都有哪些預測（簡單翻譯）：

預測1：在2010-2015年間，LISA將會給出遙遠宇宙中大質量黑洞周圍時空彎曲的證據，而且會給出彎曲的細節特徵—— 包括空間彎曲，時間彎曲以及黑洞視界周圍的時空漩渦。

預測2：在2002年和2008之間的某個時候（LISA上天之前），地面引力波探測器將會觀測到黑洞碰撞導致的彎曲時空的振動， 通過比較觀測到的引力波和大型計算機模擬的結果，將會弄清楚彎曲時空之間相互作用過程中動力學和非線性的特徵。

（有根據的）預測3：在2020-2030年之間，LIGO及其合作設備和LISA的空間探測繼任者將會探測到3個太陽質量以下的 黑洞碰撞，中子星/黑洞碰撞和中子星/中子星碰撞。它們每天都會觀測到很多碰撞事件，最後，將這些觀測結果和數值模擬的引力波對比，將會給出一個關於這些碰撞過程性質的大資料庫，就跟由光學、射電和X-ray等觀測的恆星和星系的資料庫一樣。

預測4：在2008-2010年之間的某個時候，LIGO的升級探測器以及它的合作設備，將會通過探測黑洞撕碎中子星的過程中的引力波給出中子星的核心性質。結合數值相對論黑洞撕裂中子星的模擬，我們將確定中子星的周長到10%的精度。 然後再結合引力波其他觀測特徵我們可以了解中子星核狀態方程的信息。

預測5: 2008年，LIGO將會探測到40千米藍寶石圓柱的量子力學效應。「量子非破壞性測量技術」將會被採用研究 這種量子行為，到那時，LIGO上的先進引力波探測器已經被安裝。這種新技術將會稱為「量子信息科學」這門 新領域研究的一個分支。

有根據的預測6：在2008-2030年之間的某個時候，來自宇宙大爆炸奇點的引力波將會被探測到。這將開啟一個時代， 一直持續到2050年。人們將試圖測量原初引力波的譜，波長從100億光年到100米，而且繪製全天的引力波圖，這些工作和 努力將會揭開大爆炸奇點的神秘面紗，因此證實弦理論的某些描述是正確的量子引力理論，另外這些工作和努力也會揭示宇宙大爆炸第一秒的豐富細節。

預測7：在Hawking，Preskill和我死之前，宇宙監督猜想的打賭將會有結果。誰會贏呢？我感覺是霍金，但並不是那麼確定， 我不會在這個預測里放棄我們的打賭。然而，我預測我們打賭的嘗試解決途徑——是否存在裸奇點——包括三個方面： 理論推導，數值相對論計算和引力波探測。

預測8：到2020年物理學家將會理解量子引力的理論，這些理論也許是弦理論的變種。到2040年這些理論將會給一些深刻和令人困惑的問題令人信服的回答：

*大爆炸奇點的本質，如何產生空間，時間，和我們的宇宙?

*大爆炸奇點之前是什麼樣的？或者」之前」有意義么？

*會有其他的宇宙么？如果有，和我們的宇宙是什麼關係？

*黑洞奇點的本質是什麼？

*黑洞奇點會產生其他宇宙么？

*物理理論上會允許高度發達的文明製造和維持蟲洞來星際旅行么，或者製造時間機器回到過去？

不是很有根據的預測9：將會證明理論上允許足夠的人類大小的奇異物質來使蟲洞被撐開。然而也將會證明保持蟲洞撐開的技術不可想像的超出了人類文明的能力範圍。

預測10：將會證明物理理論禁止回到過去，至少對於人類這樣的宏觀物理是這樣。無論如何高度發達的文明怎樣努力，也不能阻止時間機器的自我崩潰。

圖3：LISA的藝術想像圖。

現在看來，Kip的預測顯然是過於樂觀了。LIGO直到2015年9月14日才第一次探測到引力波信號，LISA更是被一推再推被NASA放棄，ESA接手後的eLISA也要最早到2034年才會發射。然而，Kip的「盲目」樂觀並不可笑。相反，在今天引力波最終被探測到並獲得肯定之際，隨著電磁對應體被發現預示著引力波研究的大時代即將到來之際，這些超前的預測彷彿為我們鋪開了一張引力波研究未來圖景的美麗花捲。

敢為天下先，孤軍奮戰，富有冒險精神的Weber作為45年前Kip筆下的先驅，在今天看來更加遙遠，然而也更加偉大。如今，後繼者的Kip們也成為了引力波探測的先驅。正是由於他們簡單的理想主義與對科學的最純粹的熱愛，面對質疑仍然毅然前行的盲目樂觀，科學突破才一步步從一個勝利走向另一個勝利。

引文：

[1] Preskill的博文：LIGO: Playing the long game, and winning big!

[2] Kip Thorne的文章Spacetime Warps and the Quantum World:Speculations about the Future原文鏈接：https://www.its.caltech.edu/~kip/scripts/PubScans/VI-42.pdf