基普·索恩: 科學與藝術的跨界達人

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5月12日，已經75歲高齡的基普·索恩 (Kip Thorne) 拜訪了美國查普曼大學，作了一場有趣的演講。在加州理工講了50年理論物理的索恩，其最大的樂趣就是和各個領域的藝術家合作，將他所了解的物理學廣為傳播。電影、繪畫、詩歌、書籍，他樣樣不落。「我一直喜歡並致力於同藝術家合作，並努力通過藝術和音樂來傳播科學的觀念。想要展現科學，你有很多種方法。」

另外，身為LIGO引力波探測項目創始人之一，他又有著怎樣獨特的看法呢？

在索恩看來，「數學是一種終極的語言。在數學的基礎上進行實際觀測，我們就能知道自己是不是走在正確的軌道上。」

不過，無論索恩還是他的那些同事和夥伴——比如斯蒂芬·霍金和卡爾·薩根——他們都明白，如果僅憑數學去研究這黑暗而神秘的宇宙，進度將非常緩慢。

「我們必須利用起直覺，跳躍性地猜測我們要研究的方向，」索恩說，「而這要靠視覺化進行展現，比如人工繪畫，或者計算機作圖。這是我們所用的重要工具，並非只是展示給非專業學者，這是數學之外的另一種語言。」而索恩正是精通這兩種語言的男人。

「對我來說，科學是我的事業，而與藝術家們的合作是將科學的力量與美傳達給大眾的重要途徑。我作為物理學家在加州理工已經工作了50年。從大眾角度講，我所從事的領域對於當今和未來的文化都非常重要。」

2014年，索恩作為執行製作人，幫助導演克里斯托弗·諾蘭 (Christopher Nolan) 創作出膾炙人口的科幻電影《星際穿越》。然而這並不是索恩首次涉足影視，早在30多年前，卡爾·薩根就把索恩和電影製作人琳達·布斯特 (Lynda Obst)「撮合」到一起。1997年時，她曾參與制作科幻影片《接觸》，其中用於時空穿越的蟲洞理論就來自索恩的幫助。

當作為《星際穿越》的執行製作人時，索恩發揮的作用重要了很多。

他首先為電影設定了兩條基本原則：一切都不能違反物理學定律；想像內容也需要良好的科學支持，不能憑空想像。

「導演對此的態度是，只要不妨礙製造一部精彩的影片，他都沒有意見。」索恩介紹，「不過片中確實有幾個地方從科學上講有點誇張了，不至於講不通，但發生的可能性確實不大。」

基普·索恩和導演克里斯托弗·諾蘭

當時最大的分歧就是，諾蘭想讓宇宙飛船超越光速飛行，索恩的態度則是：別想。

「有時候我會說，『我不認為這行得通，那肯定要嚴重地違反物理學定律。』」索恩回憶，「然後導演會這麼說，『去算一下是不是真的不行？』於是我跑去計算一番，回來告訴他：『看來是我錯了，這確實可行。』」

對於超光速的飛船來說，顯然，計算結果很明確：不可能。不過索恩在此事上和諾蘭爭執了兩三周，直到諾蘭妥協。

由保羅·富蘭克林 (Paul Franklin) 帶隊的視覺效果團隊和索恩也有著密切的合作。在索恩的計算基礎上，他們將那些基於愛因斯坦光傳播理論的概念轉化為真實具體的描繪，這包括《星際穿越》中的黑洞和蟲洞等等。在索恩看來，片中的黑洞卡岡都亞 (Gargantua) 可謂最迷人、最令人信服的一個版本。當然，最精確的描繪還是得去找天體物理學家才能看到。

黑洞卡岡都亞，《星際穿越》

在那之後，索恩開創性地發表過兩篇論文，一篇是寫給天體物理學家的，一篇是寫給電影製作人的，告訴他們要如何開發和使用這些需要把物理學和電影製作相結合的技術。

然而人類能否真的進行星際旅行呢？索恩是這樣看的：

「我想這很可能實現，但至少要在三百年以後。那確實非常非常難。」

目前，索恩與查普曼大學美術教授利阿·哈洛倫 (Lia Halloran) 正在合力打造一本科普讀物《The Warped Side Of Our Universe》，書中既有索恩的精湛文筆，又有哈洛倫的美妙繪畫。

用索恩的話說：「這本書中包含著大量精美圖畫，利阿描繪了宇宙的方方面面，我負責配上詩歌，解釋那些繪畫背後的真實故事。我從沒有想像過自己能夠寫詩，要知道我唯一寫過的就是給妻子的一首情詩。這次創造完全是一種自然的反應。」

哈洛倫也介紹：「這就像是一種視覺上的反覆。基普對我的繪畫創作做出了很多貢獻，而我也為他的寫作提供一些建議。」

基普·索恩 (中)，利阿·哈洛倫 (右)

說到寫作，索恩起初是以散文來陪襯哈洛倫的繪畫。不過他發現自己那種短小精悍的風格看起來更像是詩歌，於是決定一試。在現場，索恩為大家朗讀了他的詩歌片段。他竟然能夠將那些複雜的科學理論轉述為簡潔有力的韻文，在場觀眾無不為之讚歎。

被吸入黑洞的幻想畫，利阿·哈洛倫關於引力波的看法

今年2月，我們見證了LIGO發現引力波的新聞發布會，索恩就坐在其中。對於大多數人來說，引力波進入視野不過幾個月的時間。而對於索恩來說，早在1984年，他就作為聯合創始人開始為LIGO項目的啟動而奔走。時隔三十餘年，也就是2015年9月14日，那令人難以置信的消息終於傳來。人們為之興奮，但恐怕沒有人能夠真正體會到索恩的心情。

「當我們從70年代開始籌劃引力波探測項目時，我就知道，這一天終究會到來。我曾經非常確定我們最先看到的將會是雙黑洞的碰撞。回首過往的努力，我非常滿足。」

在發現引力波的消息公布後，英國《觀察家報》曾對索恩進行了採訪，讓我們看看這位老人家又是如何看待這一切的。

Q：首先，愛因斯坦的廣義相對論到底是什麼呢？

它是所有物理學定律的框架和準則，除了量子定律。有人可能會說：「這是愛因斯坦關於引力的理論」，實際上遠不止如此。他創造這一理論是為了解釋引力，但實際上這個理論的作用遠遠超出了預期。它告訴你自然界中所有其他定律是怎樣被納入時間與空間的。

對於經典領域來說，這是描述大自然的最精確的方法。那些微觀世界的事情另當別論，比如分子和原子級別。

Q：愛因斯坦的理論與引力波有著什麼關係呢？

愛因斯坦是在1905-1915年那段緊張工作的時期完成了他的相對論。理論的最終完成是在1915年11月，到今天剛好100年多一點。在那之後，他開始運用他創造的這些理論來思考與預測問題。他所做的最重要也是最後一個主要預言就是引力波的存在。1916年6月，他做出了這一預測，現在正好是一百周年。

愛因斯坦仔細思考了這一預測，審視了當時的技術條件，研究了宇宙中產生引力波的條件，最終得出判斷，我們無法找到引力波。我們沒有足夠精確的技術進行探測。

然而他錯了，去年9月，我們首次成功探測到了引力波。

Q：從愛因斯坦提出的預測到最近引力波的發現，期間引發這一突破的轉折點是什麼？

我想這其中有幾個重要節點。最關鍵的兩個轉折點來自兩個關鍵人物。首先是約瑟夫·韋伯，他在1960年左右設計出一個看起來能夠捕捉到引力波的方法，並且開始努力尋找它們。他是第一個質疑愛因斯坦論斷的人，認為我們可以實現探測引力波的技術。韋伯並沒有見到引力波，他一度認為自己看到了引力波，但實際上並沒有，真實的引力波比他設想的要更弱。但是他打破了這種「不可能」的觀念，激勵了很多人，其中就包括我。

第二個轉折點是麻省理工學院萊納·魏斯 (Rainer Weiss) 的發明。其想法的萌芽源於俄羅斯的 Mikhail Gertsenshtein 和 Vladislav Pustovoit。魏斯發明的這項技術正是我們目前所在用的，這不同於的韋伯的方法。我們稱之為激光干涉儀引力波探測器。發明了這個技術後，魏斯分析了主要干擾因素，並給出了應對策略。1972年，他提出了供進一步設計的藍圖。這份藍圖已經經過了一些調整，是一個真正經得起時間考研的設計。這是最大的轉折點。

有趣的是，萊納非常謙虛，他覺得在探測到引力波以前，他不應該在常規刊物上發表這些東西。所以他選擇在麻省理工的內部報告上發表了他的文章，那是我所讀過的最具技術含量的一篇硬貨。

Q：既然引力波已經被探測到，那麼下一步會是什麼？

這僅僅是個開始。當伽利略把他的光學望遠鏡瞄向太空時，才開啟了現代光學天文學，也打開了宇宙的第一扇電磁窗口：光。我們常用「窗口」這個詞來描述尋找具有一定波長的輻射的那些技術。上世紀40年代，射電天文學誕生，人們開始尋找無線電波；60年代，X射線天文學誕生；70年代，伽馬射線天文學誕生。紅外線天文學也是在60年代出現的。

很快，我們就擁有了這麼多扇不同的窗戶，通過他們可以尋找不同波長的電磁波。通過射電望遠鏡和X射線望遠鏡來觀察宇宙，其面貌與只用光來看有很大不同。而引力波天文學也意味著同樣的事情。

Q：引力波會被用來探索宇宙嗎？

這正是我們目前在LIGO做的事情。我們已經公布了關於雙黑洞碰撞的發現。今後還會發現更多的現象。不過我們是通過具有一定振蕩周期的引力波探測到這些現象，大概幾毫秒的周期。在未來20年中，我們將觸及那些周期達幾個小時的引力波。

不過，通過那些在太空中運行的類似LIGO的探測器，我們很可能在未來5年內就看到震蕩周期達幾年的引力波，這需要涉及射電天文學中的脈衝星計時。

而在未來5到10年中，我們很可能會看到周期接近宇宙年齡的引力波，它們在太空中留下的印記就是我們所說的宇宙微波背景輻射。

在接下來的20年里，我們將打開四個不同的引力波窗口，分別探測一些不同的東西。我們會探測宇宙的起源，也就是所謂的「宇宙暴脹」；我們將研究基本作用力的誕生和發展，我們會通過引力波來檢視它們在於宇宙之初的狀態；我們還將探測更大的黑洞碰撞，觀察星體是如何被黑洞撕碎的……

在未來的幾百年，我們將看到各種以前從未見過的美妙事物。

現在，僅僅是個開始。

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參考資料

https://blogs.chapman.edu/happenings/2016/05/24/the-warped-side-of-the-universe/

http://www.ocregister.com/articles/thorne-715643-says-science.html

Physicist Kip Thorne Discusses Gravitational Waves, the Science Behind ‘Interstellar’

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