50年引力波探测成功的启示

发表时间:2018-12-20 00:00

来源:光明日报


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50年前,引力波探测是一个高风险的方向。今天的成功,是50年来不断积累后一个看似随机,但又有其必然性的事件。

无论如何,我们需要承认,在引力波探测成功之前的那半个世纪,这个研究方向对前沿技术和基础科学已经起到了重要的推动作用。在“引力波天文学之父”约瑟夫·韦伯开始进行实验时,全世界曾经掀起了共振探测器的热潮,遗憾的是,他们没能成功探测到引力波。然而,在这个过程中麻省理工学院的莱纳·魏斯和其他人却认识到,探测引力波还可以用大规模激光干涉的方法,这种方法原理上比共振法灵敏度更高,并且可以观察很宽频率范围的引力波。可在当时,莱纳·魏斯的计划是有很大风险的,因为这一设想已大大超过了当时的技术水平。尽管今天的引力波探测器使用的是高稳定性的大功率激光、高纯度的玻璃、最先进的镀膜技术、极低的机械损耗悬挂系统,并且在多个自由度的控制上,采用了数字控制系统。这些固然得益于近年来技术的飞速进步,但美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们因观测需要在这些方面也产生了很多需求,为这些需求而进行的研究又推动了技术的进步。

在数据分析的方法上,科学家从最开始的在数据中寻找脉冲,发展到大规模的严格的统计分析。对引力波源的探讨,从最早的超新星爆发,到后来以双中子星、双黑洞合并作为目标。这一过程中,人们对爱因斯坦方程的求解方式,也有了质的变化——20世纪70年代,人们才开始认识到黑洞的很多性质,并且论证了爱因斯坦方程可以使用的初始条件,即时间演化的求解方法;90年代末,微扰论的计算才给出比较精确的双黑洞引力波,到2005年以后,双黑洞碰撞的模拟数值相对论才逐渐成熟。

在我看来,引力波探测发展的50年,实际上已经形成了自成一体的创新系统。第一,在基础研究层面上,美国国家科学基金从开始资助LIGO,就一直很重视引力波的研究,甚至专门开辟一个新的部门,对引力波领域的科研经费给予了保障。第二,加入这个高风险领域的科学家,都具有勇于开拓的气质。对于他们来说,探测引力波固然是一个目标,但是他们从自己的科研进步中找到了自我的价值。第三,美国的科技产业界,接收了这个领域训练出来的人才,让他们用更直接的方式为社会作出贡献。

50年来,引力波研究确实也培养了一批勇于创新的科学技术人才。他们有的继续推进引力波的研究,但是也有很多人在尝试过人类历史上最勇敢的科学探险之后,转入其他科技行业,对社会作出了更直接的贡献。在这次庆祝引力波探测成功的活动中,我碰到了三个曾经在引力波领域工作过的人才。第一个是大卫·李博士,他早年在引力波探测领域一位资深专家的指导下进行引力波探测中检验相对论的研究。毕业后,他在电子通信行业,金融业取得了巨大的成果,现在是加州理工大学的校董事会主席。第二个是山姆·魏德曼博士,在LIGO受过多年实验物理训练以后,他放弃了芝加哥大学的教职,投入空间事业,在Space-X公司主持飞行器传感器的开发。他带领的小组首次使得私营公司的商用空间飞行器“龙飞船”为国际空间站运送货物。第三个,是一个更年轻的学生赛斯·哈德曼,在我的科研小组里面学习数值相对论后,进入了美国初创公司Hyperloop任“悬浮工程师”。他跟我说,不久的将来,会有15分钟就能从洛杉矶到旧金山的超高速火车,这段旅程的票价只需15美金。

引力波探测是人类文明的重大进步,给科学家开辟了新的研究领域。很多人说,美国国家科学基金会终于可以松口气,给纳税人一个交代了。开辟这个新领域的老科学家们,也许可以在垂暮之年获得诺贝尔奖,等他们领奖时,我们可以再为他们的成就欢呼一次了!但我们不应该忘记的是,他们并非一开始就如现在这般满头白发,在他们开创这个领域的时候,还都是中青年科学家。那个时候,他们不知道能不能获得诺贝尔奖,甚至连院士都不是。但是,他们大胆的设想得到了美国政府和科学界的信任和支持,最终以开拓的精神和毅力,成就了科学的梦想。

写到这里,我想起一个发生在我身上的小故事。前几年,我曾作为技术和科学顾问,参与了国内某省创业基金的申请。在申请表上,赫然有这样一个选项:“是否院士或者诺贝尔奖得主”,在选择了“否”以后,我心里却对这个问题产生了一些感触——在科技创新的潜力上,院士和诺贝尔奖得主是否就一定可以超过青年科学家呢?

(陈雁北,作者为美国激光干涉引力波天文台[LIGO]科学合作组织核心成员、加州理工大学教授,是引力波探测论文的作者之一)


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