基普索恩:星際穿越守則第一條——跟緊我,別慌

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很多人應該還記得《星際穿越》裡的這個經典鏡頭,第87屆奧斯卡最佳視覺效果獎毫無疑問地頒給了這部電影;


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你也應該還記得刷爆朋友圈的引力波大發現,這是人類歷史上首次直接探測到“時空的漣漪”;


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在這兩大事件裡發揮重要作用的,是現年78歲的美國理論物理學家,基普•索恩(Kip Thorne)。2017年,他與Barry Barish和Rainer Weiss,因在LIGO項目及引力波探測方面的決定性貢獻而共同獲得諾貝爾物理學獎。

能兼享諾貝爾獎和奧斯卡金像獎這兩個相去甚遠的頂級獎項,不能說絕後,至少也是空前。索恩的兩位好友,同獲諾獎的Barry Barish和宇宙之王霍金,已分別在前兩年受邀來到騰訊WE大會。今年,我們高興地宣佈,索恩教授也將於11月4日來到WE大會現場,引領我們感受科學的美妙與力量。


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科學成就:把愛因斯坦認為的不可能變成可能

索恩出生於科研世家,一路書寫著作為“學神”的傳奇。本科畢業後僅3年,他就拿下了普林斯頓大學的博士學位。1967年,27歲的索恩成為加州理工學院副教授,開始研究引力波理論。

傳統天文學中,電磁波是主要的探測手段,但它在傳播中很容易被散射或吸收。相反地,即便是宇宙大爆炸時產生的引力波,在傳播中也幾乎不會衰減或散射,為我們瞭解宇宙起源提供了絕佳的工具。此外,像黑洞碰撞這樣的天文事件並不會發出電磁輻射,我們也只能依靠引力波獲取信息。

“引力波將為人類理解宇宙帶來革命。”這個信念貫穿了索恩一生。但是,對於是否能通過實驗手段探測引力波,他也並非從一開始就確信不疑。畢竟,就連提出引力波概念的愛因斯坦,也認為這“幾乎不可能”。

1972年,Rainer Weiss提出了構建“激光干涉引力波探測器”的設想。索恩在得知設備需要的精度時,腦子裡第一個冒出來的想法是“crazy”。不過,在之後的3年裡,索恩仔細研究了這篇論文,並且同實驗科學家進行了多次討論,最終被說服了。


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1972年的索恩

“這個領域的未來太激動人心了,我決定,要做一個理論物理學家所能做的一切來助它成功。”1983年,索恩同Rainer Weiss和Ronald Drever共同創建LIGO項目。他奠定了引力波的理論基礎,開創了引力波波形計算及數據分析的研究方向。特別是他提出的一系列量子計量學理論概念,對發現和解釋黑洞併合信號至關重要。

後來的事情大家就都知道了。2015年9月,LIGO在人類歷史上第一次直接探測到了兩個黑洞碰撞釋放的引力波,實現了一百年前愛因斯坦認為不可能的事,全世界為之沸騰。去年8月,人類首次同時探測到兩顆中子星併合釋放的引力波和電磁波,正式開啟了以多種探測手段為特點的多信使天文學。未來,還將有更多驚人的發現在等待我們。


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科幻腦洞:發明時間機器,實現星際穿越

如果是在另一個平行宇宙,索恩很可能錯失諾獎——畢竟這個小鎮boy的童年夢想是做除雪車司機。幸好一本神書(誤)“挽救”了他。這本書叫《從一到無窮大》,是宇宙學家喬治·伽莫夫撰寫的科普讀物。13歲的索恩讀完後徹底迷上宇宙理論,從此走上物理學打怪升級之路。

在成為一名真正的科學家後,索恩也想跟那些優秀的科普/科幻作家一樣,把對科學的好奇和熱情傳給下一代。他不僅寫了本大受歡迎的科普書《黑洞與時間彎曲——愛因斯坦的幽靈》,還成為了科幻界的“頭牌顧問”。


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中國讀者對《黑洞》一書的評論(圖源:豆瓣)

1985年,索恩的好友卡爾•薩根正在創作科幻小說《接觸》(後被改編為電影《超時空接觸》),想用黑洞把女主角從太陽系送往織女星。但索恩卻覺得不行,因為人一進入黑洞視界就會被奇點幹掉。經過一番研究,索恩重新“發明”了一款時間機器:蟲洞。普通的蟲洞當然也不行,但如果把蟲洞填滿具有負能量的“奇異物質”,那麼在理論上或許有實現穿越時空的可能。在這部小說出版後,“蟲洞”作為時間機器正式出現在各種科幻作品中。


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(左)電影《時空線索》(2006年),男主利用時間機器回到過去阻止災難;(右)電影《星際之門》(1994年),人類通過蟲洞與其他宇宙文明接觸

後來,索恩把相關研究發表在頂級期刊《物理學評論快報》上,進一步把這個科幻概念引入科學領域。論文引發了物理學界對時空旅行的全新關注,維持蟲洞持續開放的“奇異物質”甚至成了一個重要課題。不過,絕大部分研究都認為“可穿行蟲洞”不太可能存在。就連索恩自己也說,這種蟲洞存在的唯一可能,是來自於另一個超級發達的文明。因此,在後來的《星際穿越》中,他採用了這個設定。

2014年,由諾蘭執導、索恩擔任科學顧問的科幻電影《星際穿越》上映後,立即在全球引發熱議,無數人對其中的科學元素產生好奇。在這場包含黑洞、蟲洞、奇點、引力異常和高維空間的冒險旅程裡,專業嚴謹的科學知識貫穿始終。這緣於索恩在開拍前就定下的兩條鐵律:電影裡不能有任何東西違背已經確立的物理定律;所有(瘋狂的)推測也都必須源於科學。諾蘭回憶說:“對於我提出的編劇問題,索恩的處理總是冷靜慎重,並且總是遵循著科學定律。在試圖讓我保持科學理性的道路上,他從未對我的異想天開表示過不耐煩(雖然我在兩個星期中對超光速的挑戰曾使他溫柔地嘆了一口氣)。”


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索恩與特效團隊用一年多時間打造的黑洞卡岡都亞,是史上第一個依據愛因斯坦廣義相對論製作的真實的黑洞影像

最終,索恩與整個電影團隊傾盡全力,引領觀眾抵達了人類認知最前沿(甚至超越已有認知)的奇妙疆域。“以真正的科學為基礎製作一部電影,促使觀眾去主動了解科學,甚至以科學為事業。”索恩長久以來的心願,終於達成了。


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索恩和團隊根據黑洞模擬中的新發現,在《經典引力和量子引力》上發表了一篇論文

學界八卦:與霍金打賭,連贏2次

索恩跟好基友霍金有過3次著名的科學賭局:

第一次,索恩與霍金爭論“天鵝座X-1是不是黑洞”,結果認為“不是”的霍金輸了,只好為索恩訂了1年的成人雜誌《閣樓》,並且把索恩妻子的憤怒也一道送給了他;

第二次,索恩同量子力學專家普雷斯吉爾組隊,與霍金打賭“裸奇點是否存在”。霍金認為不被視界包圍的裸奇點並不存在,結果輸掉了一件特製的認輸T恤;


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T恤上印著一句話:自然憎惡裸奇點

第三次,索恩總算站在了霍金這邊,同普雷斯吉爾打賭“信息能否逃出黑洞”。他倆都認為黑洞會把所有信息吞噬掉,但普雷斯吉爾卻堅信量子力學機制下的信息不會消失。後來,霍金通過拓撲計算推翻了自己的判斷,為普雷斯吉爾奉上了一本重達7公斤的棒球百科全書。不過索恩卻認為量子引力定律還談不上完全確定,所以堅持沒有認輸(雖然霍金一直在等他付書費)。

儘管霍金“賭運不佳”,但在另一個層面上,這幾位世界上最聰明的“賭徒”都贏了。他們利用大膽、幽默又富有前沿挑戰性的科學賭局,成功吸引了公眾對科學命題的關注。


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左起:索恩、霍金和普雷斯吉爾

“如果人類想要延續下一個一百萬年,我們就必須大膽前行,涉足無前人所及之處!”去年11月,霍金在WE大會上向全人類發出倡告。如今,他已先行回到屬於他的那片星辰。今年11月,騰訊WE大會再次如約而至。這一次,索恩將帶領我們繼續這場永恆的星際旅程。


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