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撰文 | 珍娜·萊文（Janna Levin）
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科學(xué)界的人都知道，史蒂芬·霍金與人打賭的勝率非常低。他在公開場合與人打賭，從來沒有贏過。一次，霍金與加州理工學(xué)院的理論學(xué)家約翰·普雷斯基爾打賭，稱任何信息都無法逃離黑洞，即使他本人發(fā)現(xiàn)的“霍金輻射”也無法將信息帶出黑洞。后來，他認(rèn)輸了，盡管很多人（包括普雷斯基爾）都說認(rèn)輸為時尚早?；找矃⑴c了這次打賭，而且與霍金站在同一邊，但是他至今沒有認(rèn)輸。
霍金堅信人類永遠(yuǎn)無法找到希格斯粒子（我們所在的物質(zhì)世界的黏合劑）。實驗物理學(xué)家利昂·萊德曼給希格斯粒子起了一個非常著名的昵稱——“該死的粒子”。但是，出版社不愿意采納這個名字，把他那本書的書名改成了“上帝粒子”。不幸的是，霍金在打賭方面的敗績還在延續(xù)。希格斯粒子被找到了，還有人因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)既令人失望，（這方面的研究是不是已經(jīng)到了窮途末路？）又是一大勝利。（他們成功了?。?/span>
此外，它還讓霍金輸給同事戈登·凱恩幾百美元。霍金也就外星人殺手、機(jī)器人等問題跟人打過一些非常奇怪的賭。這些問題的答案都不大可能揭曉，因此這些賭局也許會讓他取得有史以來最好的戰(zhàn)績。
批評霍金是一個拙劣的賭徒（不是說他嗜賭成癮，而是說他十賭九輸），也許會讓我們對他最著名的賭局的重大意義視而不見。霍金跟基普打賭，說從地球上看天空中最明亮的X射線源之一天鵝座X–1 中沒有黑洞。二人打賭的時間是在1974 年，距離人們從天鵝座探測到X射線已經(jīng)過去10 年時間了。當(dāng)時，霍金投入大量精力對黑洞進(jìn)行深入研究，并因為發(fā)現(xiàn)黑洞可能會消失而確立了自己的學(xué)術(shù)地位。有時候，霍金會兩邊下注，目的純粹是找樂子。
霍金與基普的那個賭局在游戲規(guī)則的開頭指出：“盡管史蒂芬·霍金在廣義相對論和黑洞這兩個研究領(lǐng)域投入了大量精力，并且希望為此購買一份保險，但基普·索恩卻想將生活置于沒有保險保障的危險境地……”1990 年，霍金帶著一群人來到基普的辦公室去認(rèn)輸，但基普不在辦公室里，他在蘇聯(lián)?；艚鹪阢y行本票上摁了手印，根據(jù)商定的賠付方式，付款為基普訂閱了一份色情雜志。
結(jié)果，“基普的太太為此勃然大怒”，至少傳言是這么說的。但是，思想開明的基普太太——卡羅莉·喬伊斯·溫斯坦說：“我根本沒有生氣，我當(dāng)時的反應(yīng)主要是驚訝……我以為婦女解放運(yùn)動已經(jīng)頗有成效，人們對這一類事物應(yīng)該可以坦然接受。很顯然，我錯了?？赡苓@件事令媒體不知所措，所以他們杜撰了這個‘基普的太太勃然大怒’的故事?！痹趶牟还首髡?jīng)的卡羅莉看來，這件事很有意思。
與好友霍金相比，基普是一名高明的賭徒。他宣稱，只要賭局不設(shè)截止日期，他就不會輸。他曾經(jīng)在一個設(shè)定了截止日期的賭局中輸給了耶利米·奧斯特里克，原因是這位多產(chǎn)的天體物理學(xué)家正好是天鵝座X–1 X射線衍射理論的提出者之一。
就在羅克斯·沃格特努力說服美國國會撥款時，基普·索恩正在科研一線四處游說。20 世紀(jì)80 年代，基普在普林斯頓大學(xué)的禮堂做過一場熱情洋溢的演講。坐在臺下的耶利米·奧斯特里克不想在演講過程中給基普添麻煩，但是他暗暗地想：“他是從哪里得到這些數(shù)字的呢？”他指的是強(qiáng)度足以被LIGO探測到的引力波發(fā)射源的估計數(shù)量。奧斯特里克相信引力波是由天體系統(tǒng)產(chǎn)生的，但是他認(rèn)為引力波的強(qiáng)度和數(shù)量應(yīng)該不足以使基普的夢想成真。
之前，當(dāng)有人指責(zé)他過于樂觀時，基普會用參考文獻(xiàn)、文件資料和公開發(fā)表的各種圖表，耐心地對他們進(jìn)行駁斥?；照页鏊?980 年發(fā)表的一篇文章，指著其中的一個圖表對我說：“關(guān)于‘引力波的強(qiáng)度究竟多大才不會顛覆我們在引力屬性和銀河系天體物理結(jié)構(gòu)這兩個方面的堅定信念’這個問題，這條‘堅定信念’線可以告訴我們答案。這條線對應(yīng)的是一個無比喧鬧的天空，我從來沒有說它代表的是引力波的真實強(qiáng)度?！痹谀瞧恼轮?，基普寫道：“不過，現(xiàn)在和不久前流行于世的宇宙模型都預(yù)測最強(qiáng)的（脈沖信號）應(yīng)該遠(yuǎn)低于這條‘堅定信念’線。”盡管這些模型中有的已經(jīng)過時，但是人們研發(fā)高靈敏度探測器的勁頭卻從未松懈，所以今天的高新探測器才能達(dá)到現(xiàn)有的靈敏度。（1978 年，某一個學(xué)術(shù)會議甚至還給與會者發(fā)放了T恤衫，上面印著“達(dá)不到10–21，我們誓不罷休！”的字樣。）
耶利米·奧斯特里克與同樣來自普林斯頓大學(xué)的約翰·巴考爾對LIGO探測器的批評可能最為嚴(yán)厲。富有魅力、善于游說的LIGO宣傳運(yùn)動發(fā)起者（他們可能會稱之為宣傳員）基普深知，他的同行和美國國會那些人對于歷時較長而又沒有成功保證的大型科研項目肯定不會認(rèn)同，因此他必須想辦法讓他們改變觀念?；湛梢詳[出確鑿的科學(xué)依據(jù)，證明LIGO很有可能探測到天體信號。他們能聽到一些聲音，這種可能性非常高，幾乎可以保證。
但是，即使是現(xiàn)在，基普也不會保證他們絕對可以探測到引力波。無論人們以前是怎么想的，一些信號源的真實性現(xiàn)在已經(jīng)不會引起爭議了。那些致密雙星，只要我們知道它們確實存在，就能保證LIGO項目立于不敗之地。即使有很多問題尚未確定，作為引力波信號源，它們?nèi)匀豢梢员ＷC地球上的這些天文臺取得成功。修飾語“致密”描述的是恒星坍縮后形成的白矮星、中子星和黑洞。它們都是致密星體，體積較小，質(zhì)量卻非常大。而且，它們都已經(jīng)“死亡”，不論以前是什么樣子，現(xiàn)在都無法發(fā)射出明亮的光芒了。
在雷納剛開始構(gòu)思LIGO項目的時候，對信號源的確定程度還沒有現(xiàn)在這么高。惠勒創(chuàng)造“黑洞”這個名詞已經(jīng)是20 年前的事情了，備受尊重的天體物理學(xué)家對于理論證據(jù)可以泰然處之，他們的更高目標(biāo)是獲得經(jīng)驗證據(jù)。他們設(shè)定的這個目標(biāo)顯然沒有問題，但是人們總能找到其他方法解釋不斷增加的證據(jù)，而且這些方法變得越來越復(fù)雜（為了達(dá)到曲解數(shù)據(jù)的目的，他們甚至?xí)冻鰵怏w云）。雷納說：“與奧卡姆剃刀定律相悖，這些解釋極其復(fù)雜、隨意……我的意思是如果麻省理工學(xué)院最受尊敬的教授們認(rèn)為黑洞不存在，我就不會去學(xué)校申請?zhí)綔y黑洞所需的資金?！钡?，所有人都非常激動。脈沖星的發(fā)現(xiàn)讓很多科學(xué)家深信中子星是存在的。在蟹狀星云中心星被發(fā)現(xiàn)之后，科學(xué)界終于相信中子星是引力坍縮的最終狀態(tài)，至少對于某些恒星來說是這樣的。天鵝座X–1 等明亮的X射線源為黑洞的存在提供了證據(jù)。最后的結(jié)論是赫爾斯– 泰勒脈沖星系統(tǒng)以間接的方式證明損失的能量轉(zhuǎn)化成了引力波。既然有那么多的人相信恒星死亡后會變成致密星體，引力波信號源的存在就應(yīng)該確定無疑了。但問題是，有多少信號源呢？
白矮星和中子星發(fā)出的光非常暗淡，如果位于銀河系外，就根本看不到。在直徑約為10 萬光年的銀河系里，我們能看到可以證明白矮星和中子星存在的證據(jù)。離銀河系最近的大型星系是仙女星系，距離我們大約250 萬光年。我們可以看見遙遠(yuǎn)星系里的超新星，但如果距離達(dá)到數(shù)百萬甚至數(shù)十億光年，我們就無法看到。
這些超新星爆發(fā)后形成的致密星體。我們有充分的理由相信，可以根據(jù)對銀河系的了解推斷其他星系的相關(guān)情況。在可以觀察到的宇宙空間里有無數(shù)星系，每個星系又包含數(shù)不清的恒星。星系的數(shù)量難以統(tǒng)計，恒星的數(shù)量更是不計其數(shù)，其中必然有一些恒星死亡后留下的殘骸。但是，銀河系以外的致密星體非常暗淡，用望遠(yuǎn)鏡是觀察不到的。
既然有那么多的致密星體，LIGO項目組自然希望可以借助引力波探測器探測到它們。在太空里靜止不動的致密星體不會發(fā)射引力波，就像放著不動的鼓槌不會讓鼓發(fā)出聲音一樣。要把鼓敲響，鼓槌必須動起來。這些致密星體必須運(yùn)動起來，才能將能量傳遞至引力波。赫爾斯– 泰勒脈沖星以越來越快的速度，圍繞另一顆中子星運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管超新星爆發(fā)可能會將伴星彈射出去，但大多數(shù)雙星系統(tǒng)很可能都是成對“出生”、成對“死亡”的。LIGO項目組苦苦搜尋的是那些同時死亡的雙星系統(tǒng)。這些致密星體以越來越快的速度沿軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，就像鼓槌敲打著時空這面巨鼓，奏響了美妙的引力波藍(lán)調(diào)。
致密雙星系統(tǒng)沿軌道運(yùn)轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生時空的漣漪需要消耗能量，因此它們會旋近（inspiral），也就是說，相互之間的距離會逐漸縮小。每轉(zhuǎn)一圈，它們之間的距離就會縮小一點(diǎn)兒，運(yùn)行周期也會縮短一點(diǎn)兒。
所有雙星系統(tǒng)，無論是不是致密星體，都會發(fā)射引力波。由于引力波造成的能量損失，除了太陽系效應(yīng)引起的其他變化，地球在自轉(zhuǎn)的同時也在慢慢地向太陽靠近。同樣，月球在向地球靠近，太陽則不斷接近銀河系的中心位置。但是，所有這些旋近都非常緩慢，它們發(fā)射的引力波極其微弱，幾乎無法探測到。整個過程所需的時間非常長，遠(yuǎn)超宇宙存在的時間。太陽將第一個死亡，銀河系首先會與仙女星系碰撞。世界末日到來時，人類仍然在地球上用引力波探測器探測天文異象的可能性不大?；艚鹨苍S可以拿這個與別人打賭，權(quán)當(dāng)娛樂。但是，LIGO探測器有可能發(fā)現(xiàn)致密雙星系統(tǒng)旋近的最終狀態(tài)。
想象一下，黑洞碰撞的最后時刻會出現(xiàn)哪些場景。首先是兩個黑洞（假設(shè)它們的直徑分別是60 千米）在太空中相互圍繞對方運(yùn)行。它們的速度非?？欤棵脒\(yùn)行幾百圈。隨后，它們相互碰撞合并為一體。在這個過程中，它們的運(yùn)動使空間發(fā)生振蕩。由于強(qiáng)度比較大，當(dāng)引力波從地球上方經(jīng)過時，我們可以探測到這場大災(zāi)難。只有到了最后時刻，引力波足夠強(qiáng)，才會被探測器捕捉到。致密雙星系統(tǒng)的壽命通常有數(shù)十億年。如果把觀察目標(biāo)限制在銀河系范圍內(nèi)，在這些致密雙星系統(tǒng)生命終結(jié)前的15 分鐘里探測到它們的可能性將會非常小，這一點(diǎn)令人十分氣餒。
銀河系里中子星相互碰撞的發(fā)生頻率大約是每一萬年一次，但是預(yù)測工作仍然充滿不確定性。中子星與黑洞碰撞的發(fā)生頻率可能是幾十萬年一次，黑洞相互碰撞的發(fā)生頻率可能是200 萬年一次。因此，花50 年的時間建造LIGO探測器，卻只用來記錄銀河系內(nèi)發(fā)生的致密星體碰撞現(xiàn)象，是一個非常愚蠢的想法。
LIGO探測器必須記錄數(shù)百萬個星系引發(fā)的空間振蕩，才能使記錄黑洞碰撞的成功概率達(dá)到科學(xué)合理的程度（比如，在試運(yùn)行一年內(nèi)取得成功）。其他星系距離我們非常遙遠(yuǎn)，因此LIGO探測器必須探測遙遠(yuǎn)的空間，把更多的可能目標(biāo)納入探測范圍。但是，探測距離越遠(yuǎn)，信號就越微弱。因此，盡管第一代LIGO探測器完成了6 次科研運(yùn)行（探測器全面運(yùn)轉(zhuǎn)并記錄數(shù)據(jù)的次數(shù)），但它們只能觀測到大約4 500 萬光年距離范圍內(nèi)的成對中子星，最遠(yuǎn)可達(dá)附近的室女座星系團(tuán)。成對黑洞的可探測范圍略大于成對中子星的可探測范圍。這個距離似乎已經(jīng)非常遠(yuǎn)了，但還不能滿足引力波探測的需要。因此，第一代探測器一無所獲。
幾十年前，基普在普林斯頓大學(xué)做了那場演講之后，奧斯特里克問了一個縈繞在他心頭多時的問題：“你是從哪里得到這些數(shù)字的？”只在信號源數(shù)量非常多的情況下，第一代探測器才有可能捕捉到某些聲音，否則，它們有所發(fā)現(xiàn)的可能性非常小。根據(jù)理論，信號源大量存在的可能性難以估計?；照f，信號源數(shù)量的那些最高估計值至少符合物理定律，那些最低估計值則是他們一直追求的目標(biāo)。出身天文學(xué)世家的奧斯特里克堅持認(rèn)為這些數(shù)字令人迷惑，與天文學(xué)的現(xiàn)實情況格格不入。
?在《引力波》一書中，作者珍娜·萊文再現(xiàn)了50多年來，LIGO科學(xué)合作組織的科研人員面臨的困難、經(jīng)受的考驗和付出的艱辛。
大約在30 年前，基普與人打賭，稱LIGO探測器在2000 年1 月1 日就會探測到引力波。他堅信這是不可能的。奧斯特里克是這場賭局的另一方，他堅信這是不可能的。奧斯特里克為這個賭局設(shè)置了幾個科學(xué)合理的條件，包括：至少有兩個團(tuán)隊承認(rèn)引力波已經(jīng)被成功地探測到，而且這兩個團(tuán)隊必須承認(rèn)彼此對探測結(jié)果的分析是正確的。事實證明，奧斯特里克純屬多此一舉。2000 年1 月1 日悄然而至，又悄然而逝，剛剛組裝完成的第一代LIGO探測器沒有采集到任何相關(guān)數(shù)據(jù)。奧斯特里克宣稱：“我貼在他墻上的賭局協(xié)議突然消失了。”
基普回應(yīng)道：“坦率地說，我認(rèn)為那份協(xié)議一直在墻上。為了簽字確認(rèn)，我把它從墻上拿了下來，但幾天之后我又把它貼回去了?！?/p>
奧斯特里克說他并沒有馬上要求基普兌現(xiàn)賭注，而且不斷地在他的朋友圈里對他表示關(guān)心：“基普沒事吧？”他的目的是通過這種不急不躁又鍥而不舍的方式，讓基普的朋友們提醒他該掏腰包了。
基普反駁說：“奧斯特里克肯定記錯了。2000 年1 月1 日，我輸?shù)袅诉@場賭局。后來，我收到了奧斯特里克手寫的、落款日期為2000 年4 月18 日的便條：‘收到你寄給我的一張令人愉悅的便條，還有一瓶品質(zhì)上佳的紅酒，萬分感謝！我和吉姆·岡恩、博赫丹·帕欽斯基、斯科特·特里梅因以及馬丁·李斯一起分享了那瓶酒。我們還為你的健康，為引力波探測，尤其是LIGO項目取得成功干杯。祝一切安好！你真誠的朋友，耶利米?！?/p>
同耶利米·奧斯特里克一樣對LIGO項目感到非常惱火的天文物理學(xué)家大有人在。奧斯特里克特別提出，LIGO項目有不合理的地方。《天文學(xué)與天體物理學(xué)十年調(diào)查報告》的宗旨是就未來10年美國應(yīng)重點(diǎn)資助哪些天文學(xué)和天體物理學(xué)研究項目提出建議，是科學(xué)自治的一個重要表現(xiàn)。奧斯特里克參與了過去三期的編寫工作。盡管至今仍然不清楚約翰·巴考爾是否曾經(jīng)拒絕將LIGO項目收入其中，但是LIGO項目最終沒有入選的確是事實。過去幾十年里，所有重大項目都通過了該調(diào)查報告的審查，但LIGO項目是一個例外，這令奧斯特里克感到十分惱火。他和其他人不滿LIGO項目組用資金修建那些管道，而不是用來培養(yǎng)研究生。
對于這個問題，基普提出了不同看法：“關(guān)鍵問題是，為LIGO項目提供資金支持的是國家科學(xué)基金會的物理學(xué)部，而不是天文學(xué)部。所以，有發(fā)言權(quán)的只能是物理學(xué)部，而不是天文學(xué)部。
“LIGO項目通過了物理學(xué)部十年調(diào)查委員會的審查……在找到新的資金渠道之前，為LIGO項目提供資金的一直是國家科學(xué)基金會物理學(xué)部。LIGO項目獲得批準(zhǔn)的一個重要原因是，從20世紀(jì)80 年代中期開始我們組織了大量的評估活動，而且委員會的成員都是一些不講情面的物理學(xué)家，例如理查德·加爾文。如果沒有這些評估活動，國家科學(xué)基金會絕不可能批準(zhǔn)LIGO項目的資金申請?！?/p>
一位不愿意透露姓名的批評者指出，基普出身摩門教家庭，天生就善于游說。他還認(rèn)為，長大后的基普拋棄了枯燥乏味的說教和性別歧視，也不再是一名虔誠的摩門教徒，基普一直想為自己改變宗教信仰找到一個正義的理由，LIGO項目恰好是一個合適的理由。耗費(fèi)巨額資金、前途未卜的LIGO項目為什么可以申請到資金呢？因為基普富有魅力，是一名高明的說客。此外，他在科研方面考慮問題縝密周到，對技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的分析與評估清楚明了，為人誠實正直、受人尊重。因此，基普說的話往往令人信服。盡管從技術(shù)上講，第一代LIGO探測器取得了成功，但是它們沒有捕捉到任何關(guān)于引力波的信息。要想記錄距離我們數(shù)十億光年的宇宙?zhèn)鱽淼奈⑷趼曇簦仨毥鉀Q一系列技術(shù)難題。根據(jù)設(shè)計，高新LIGO探測器的探測距離可達(dá)10 億光年，包含了成千上萬個星系。天文學(xué)家認(rèn)真地估算了恒星的數(shù)量、大小和壽命，試圖預(yù)測出現(xiàn)在探測范圍內(nèi)的致密雙星系統(tǒng)的數(shù)量，從而估計到底有多少個可能的信號源。盡管目前的信號源估計數(shù)量引起了爭議，悲觀意見與樂觀看法并存，但是信號源確實存在。無法保證的是，致密雙星系統(tǒng)發(fā)生碰撞的地點(diǎn)是否在可探測范圍內(nèi)，以及碰撞發(fā)生時人類是否還存在。
只有造物主慷慨地提供足夠多的信號源，在（一兩年，而不是二三十年內(nèi)）完成合理次數(shù)的科研運(yùn)行，探測器才會捕捉到宇宙的聲音。如果探測器在幾年時間里一無所獲，人們可能就不愿意繼續(xù)使用它們了。同時，LIGO項目組也需要進(jìn)一步證明人們的投入物超所值，也就是說，他們必須有“從事天文學(xué)研究”的能力。面對批評者的質(zhì)疑，很多人焦慮不安，還有很多人不辭勞苦地做著各種計算，希望可以拓展LIGO探測器在天體物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。LIGO項目組還要面對眾多批評者的評頭論足，并向天體物理學(xué)界證明自己的存在價值。對于項目的合作者來說，棘手的問題是：LIGO項目會產(chǎn)生良好的收益嗎？巨大的投入能否換回足夠多的科研成果？
目前，LIGO探測器是唯一一種擁有引力波探測能力的機(jī)器，因此無法滿足耶利米·奧斯特里克的賭約條件—至少有兩個團(tuán)隊承認(rèn)引力波已經(jīng)被成功探測到，而且這兩個團(tuán)隊必須承認(rèn)對方對探測結(jié)果的分析是正確的。然而，奧斯特里克說，如果人們可以利用望遠(yuǎn)鏡完成同步探測，他也能接受。當(dāng)超新星或中子星這些致密星體碰撞時，不僅會發(fā)出巨大的聲響，還會發(fā)出明亮的光?，F(xiàn)在，高新LIGO探測器已經(jīng)基本建成，奧斯特里克當(dāng)然感興趣。
而且，他沒有任何偏見。同眾多科學(xué)家一樣，對于科研成果，他不會冷嘲熱諷，而是歡欣鼓舞。但是，他還是與LIGO團(tuán)隊的一名科學(xué)家（不是基普）打了一個賭。奧斯特里克認(rèn)為，他們探測到引力波，并且探測結(jié)果能被望遠(yuǎn)鏡證實，這在2019 年1 月1 日之前是不可能實現(xiàn)的。
在遠(yuǎn)長于人類既有歷史的遙遠(yuǎn)未來（就像古戈爾普勒克斯a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于138 億一樣，宇宙138 億年的歷史與未來歲月相比，也是微不足道的），宇宙中的所有恒星都將死亡，那些符合條件的恒星會坍縮成黑洞。宇宙萬物都會被吸進(jìn)黑洞，然后一些黑洞會被質(zhì)量更大的黑洞吸收，再然后宇宙中的所有黑洞都會蒸發(fā)，產(chǎn)生霍金輻射。整個過程將會耗費(fèi)非常長的時間。（“永恒是很長的時間，特別是對盡頭而言?！保?/span>目前，我們生活在地球上，天空非常明亮，似乎聽不見宇宙的任何喧囂聲。所以，這次的賭局是：太空并不是那么安靜。
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