物理群星
基普·索恩 肖像

图:Christopher Michel,2022 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

基普·索恩

Kip Stephen Thorne

1940–今 · 生于美国犹他州洛根 · 美国

相对论天体与宇宙学

花了四十年把「引力波长什么样」算出来,好让机器认得出它

诺贝尔物理学奖 2017 对 LIGO 探测器与引力波观测的决定性贡献

索恩没有造出 LIGO 的任何一个零件。他做的是另一件同样必要的事:在机器建成之前的几十年里,把「引力波传到地球时究竟长什么样」一行行算出来。没有这些波形,2015 年 9 月 14 日那段 0.2 秒的起伏,只会是数据里又一次说不清来路的抖动。

从惠勒的学生开始

他 1965 年在普林斯顿跟惠勒读完博士。惠勒那一代人做的是把广义相对论从数学练习变回物理:黑洞、中子星、引力坍缩。索恩接过来的是其中最难算的一支——强场、动态、两个天体互相绕转直到并合的时空。这类问题没有解析解,爱因斯坦方程在这里是十个耦合的非线性偏微分方程。

1973 年他与米斯纳、惠勒合著的《引力》厚达一千多页,一代人是读着它进这个领域的。

为一台还不存在的机器算图纸

1970 年代,引力波探测的名声很差:韦伯的共振棒宣称探测到了信号,无人能复现。索恩却在这时判断,激光干涉的路子是可行的,并把加州理工的资源压了上去,请德雷弗从格拉斯哥过来建原型机,又与麻省理工的韦斯联手推动立项。

他自己那一侧的工作是波形模板库。从两个黑洞缓慢旋近,到最后几圈的相对论性并合,再到新生黑洞抖落多余形变的「铃宕」,每一段都要算准。他和学生们用后牛顿展开处理旋近段,用数值相对论攻并合段——后者直到 2005 年前后才真正算通。有了模板,探测就从「看有没有异常」变成了「拿几十万条模板去和数据做匹配滤波」,把埋在噪声下面的信号捞出来。

他也押过错。 1970 年代他曾判断共振棒有希望,也曾对干涉仪能否达到 10⁻²¹ 的应变持保留意见;他后来公开说过,自己当年给 LIGO 成功的概率打的分并不高。

虫洞、电影与一场赌局

1985 年,萨根写小说《接触》时请他帮忙核算主角穿越星际的办法。索恩算下来发现黑洞不行,虫洞在数学上却是可以的——只是需要一种能量密度为负的「奇异物质」。他和学生把这件事写成正式论文发表,顺带指出可穿越虫洞原则上可以改造成时间机器,由此掀起了一轮关于时序保护的严肃研究。

2014 年他做《星际穿越》的科学顾问,为了渲染快速旋转黑洞周围的光线路径,团队写的代码后来变成了一篇技术论文——电影特效反过来贡献了可发表的结果。

他和霍金打过好几次赌。1975 年那次赌天鹅座 X-1 是不是黑洞:索恩赌是。1990 年霍金认输了。

那 0.2 秒

2015 年 9 月 14 日,信号到达时 LIGO 的正式观测尚未开始,两台探测器还在做工程调试。频率从 35 赫兹爬到 250 赫兹,波形与模板严丝合缝:13 亿光年外,36 与 29 个太阳质量的两个黑洞并合了,少掉的 3 个太阳质量全部变成了引力波。

2017 年诺贝尔奖颁给韦斯、巴里什与索恩。索恩在此前后一再强调,这是一千多人四十年的工作,奖只是发给了三个名字。

代表方程

四极辐射公式

h+,×∼2Gc4r Q¨h_{+,\times} \sim \frac{2G}{c^4 r}\,\ddot{Q}

引力波的强度正比于源的质量四极矩的二阶导数,除以 c 的四次方——分母那个天文数字般巨大的常数,正是引力波如此微弱的原因。要产生可探测的波,必须是恒星质量的天体在以接近光速的方式运动。

伟大发现