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完成爱因斯坦开启的事业

哥德堡—很久很久以前,在很远很远的银河系深处,有两个巨大的黑洞——每一个的质量都要比太阳大大约30倍——发生了碰撞和合并,释放出短暂而强大的引力波爆发。这次爆发所产生的能量以光速在宇宙间传播,将其能量稀释在广袤无垠的太空中。

十亿多年后,这次爆发的能量以极其微弱的信号抵达地球,大约持续了十分之一秒。2015年9月14日,来自美国激光干涉引力波观测台(LIGO)的科学家在他们的工具中捕捉到了引力波所发出的弱弱的鸣叫——由此,爱因斯坦100年前所做出的预言第一次得到了证实。

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LIGO在美国国家科学基金会的指导下工作,动用了两台先进的干涉仪。这两台高科技奇观坐落在美国的两端,利用光的干涉原理运行,投入不久就成功测量到了引力波(称为GW150914)。它们通过测量干涉仪臂长的变化监测到引力波所引起的时空几何的扭曲。在GW150914的例子中,干涉仪臂长变化不到质子大小的千分之一。

监测如此微小的变化是一个极其艰巨的挑战,因为各种噪声都可能影响到测量,破坏其准确性。LIGO通过比较两台干涉仪的测量结果,从无处不在的太空混乱中挖掘出微小段在的鸣叫。一台干涉仪的噪声与另一台不相关——这和来自过路引力波的信号不同,引力波信号应该首先在一处发生,接着在另一处发生。来自GW150914的信号就存在必如此令人印象深刻的准确性,可以排除其为疑似随机事件的一切可能性。

这一成果能否赢得诺贝尔奖是毫无疑问的;唯一的问题是应该由谁获得。LIGO的成功不仅仅只是技术的胜利;它也是——并且更重要地——一个世纪以来理论物理学家对引力波的数学描述的结果——不仅仅是爱因斯坦,也包括殷菲德(Leopold Infeld)、戈德伯格(Joshua Goldberg)、费曼(Richard Feynman)、皮拉尼(Felix Pirani)、罗宾逊(Ivor Robinson)、邦迪(Hermann Bodi)和里奇内罗维茨(André Lichnerowicz)等人。

具体而言,LIGO的发现因为波兰物理学家特劳特曼(Andrzej Trautman)和法国物理学家达摩尔(Thibault Damour)而成为可能,特劳特曼给出了引力波理论的严格数学形式,达摩尔开发了用观察到的波阵面破解波的来源信息的实用数学工具。他们的工作奠定了让LIGO得以成功的理论的扎实的数学基础。

爱因斯坦的广义相对论是人类最伟大的知识成就。但没人因为为广义相对论发展数学基础而赢得诺贝尔奖。诺贝尔奖曾经授予用发现确认广义相对论的一些重要预言的实验物理学家;也曾经授予做出纯粹数学工作的量子物理学家,但从未授予研究相对论的纯理论家。

我希望今年诺贝尔委员会能认识到理论工作的重要性,做出正确的颁奖选择:授予一位实验物理学家,因为他发展了LIGO背后的技术概念;以及两位纯理论家:特劳特曼和达摩尔。

LIGO——及其欧洲姊妹版Virgo——还有很多东西有待发现。对引力波的测量不仅将为迄今为止完全无法企及的现象提供洞见——如大爆炸、黑洞地平线(black hole horizons)和中子星内部情况;还能引起一场我们对宇宙的理解的革命。

广义相对论描述大规模的(large-scale)物理现象:人类、岩石、行星、恒星、银河、整个宇宙。另一方面,量子力学在以最小规模——夸克、电子、原子和分子——描述宇宙方面也同样成功。

但这些现代物理学的基础理论彼此不相容,甚至相矛盾。人们历经千辛万苦,仍然尚未建立量子引力论。一些与黑洞有关的特殊现象的权宜量子引力模型已经提出;但是,由于均未经受实验检验,没人知道这些模型是否正确(事实上,其中一些模型导致了尖锐的悖论)。

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许多物理学家坚信这些问题意味着我们对于自然的基本原理的理解存在遗失的一环。在绝望中——常常也伴随着自大——一些人提出了完全疯狂的量子引力概念,包括不同于标准的爱因斯坦黑洞的离奇概念。结果,对今天的许多物理学家而言,调和两大理论的真正的根本性问题蜕变为毫无意义的浮夸演绎。

我们需要的是扎实的实验事实来扫除一切无意义的聒噪,甚至是启发难题的解决办法。而这正是未来引力波测量能够提供的。