科学界奥斯卡科学突破奖揭晓,让科学家像摇滚明星一样名利双收

当地时间12月4日晚,一群活跃在技术革新前沿的亿万富翁,众多家喻户晓的名人,以及多个学科领域的顶尖科学家,聚集在硅谷的美国航空航天局艾姆斯(NASA Ames)研究中心,参加一场如同奥斯卡典礼一般的盛事——2017年科学突破奖(the Breakthrough Prizes)的五周年庆典。主持人是著名的好莱坞影星摩根·弗里曼,科学纪录片《穿越虫洞》的主持人。

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氧分子网www.yangfenzi.com)了解的,由硅谷最著名的人物设立,奖金比诺贝尔奖还要丰厚的科学突破奖已经走到了第5个年头,在此次庆典上,2017年生命科学突破奖、基础物理学突破奖和数学突破奖的结果先后揭晓,每位获奖者都会得到300万美元的奖金,超过其他任何科学奖项。一个由过往得奖者组成的委员会颁发了总共15个奖项,包括6个10万美元的新视野奖,用以鼓励科研生涯初期的成就;以及一个25万美元的青少年突破奖,获奖者制作了一个令人信服的视频,对科学概念进行了解释。所有这些奖金的总额近2500万美元。

Google创始人 谢尔盖·布林

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科学突破奖的缘起,是俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳(Yuli Milner)和妻子茱莉亚(Julia Milner)提出,他们将从2012年开始,每年出资奖励获得杰出科学成就的理论物理学家。自此之后,包括脸书的联合创始人马克·扎克伯格及其妻子普莉希拉·陈、谷歌联合创始人塞吉·布林(Sergey Brin)、生物技术公司23andMe的创始人安妮·沃西基(Anne Wojcicki)和阿里巴巴集团的创始人马云及其妻子张瑛等众多赞助的加入,使这项大奖涉及的学科也逐渐增多。

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研究物理学出身的尤里·米尔纳后来在互联网风险投资中积累了大量财富,他表示,科学家在大众中的影响力往往比电影明星、音乐家和其他名人小得多,而这实在令人羞愧。“与基础科学在我们生活中的影响比起来,这是很不平衡的状况,”他说道。作为俄罗斯最大互联网公司Mail.ru的前任首席执行官,尤里·米尔纳对不久前发现的引力波给予了特别的关注。今年早些时候,突破奖委员会在常规的评奖周期之外,特别奖励了 “激光干涉引力波天文台”(LIGO)团队的3位领导者和千余名工作人员,以褒奖他们成功地证实了爱因斯坦的广义相对论。正如尤里?米尔纳所说的,这是“我们在宇宙探索中的基石之一”。

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尤里·米尔纳还是多个科学初创项目的投资者,包括投资1亿美元的“突破聆听”(Breakthrough Listen)项目,作为“搜寻地外文明计划”(Search for Extraterrestrial Intelligence,SETI)的延伸;以及同样投资1亿美元的“突破摄星”(Breakthrough Starshot)项目,计划向邻近的一个恒星系发射探测器。“我们希望将公众的注意力吸引过来,关注这些了不起的人正在进行的工作,”尤里·米尔纳说道。

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胡达·佐格比(Dr. Huda Zoghbi)是美国贝勒医学院的教授,从事神经系统疾病的研究。作为此次庆典的获奖者之一,她表示自己在接到消息时感到非常荣幸、喜悦并且难以置信。她还强调了资助基础科学研究的重要性,并指出科学家如果想要取得突破性的发现,就必须敢于承担风险。“在研究疾病的基本问题时,基础研究是无可替代的,”胡达·佐格比说,“这里头没有捷径。”

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以下便是本年度的突破奖获奖者名单:

生命科学突破奖(5位获奖者)

美国哈佛医学院的遗传学家和癌症学家斯蒂芬·埃利奇(Stephen J. Elledge),发现了细胞是如何感知DNA受损并作出响应,为癌症的发展和治疗提供了有用信息。Elledge与同事开发的VirScan筛选测试可以通过一滴血发现病人感染的任何病毒。细胞中的DNA一直在经受各种攻击,但细胞有监测其DNA完整性的能力——埃利奇博士称之为一种化学的智慧(chemical intelligence)——进而激活各种防御系统。埃利奇博士的研究兴趣十分广泛。2015年,他和他的团队报道了一组重要的测试结果:只用不到一滴血,就可以检测人接触过的所有病毒。这项测试具有巨大的潜力,可以被用来追踪疾病在不同种群中的传播以及研究人的免疫系统如何响应病毒,进而为慢性炎症和癌症提供理论基础。去年,埃利奇博士还获得了一项大奖:拉斯克奖,此奖被誉为“北美的诺贝尔奖”。

加州大学圣克鲁斯分校的生物化学家哈里·诺勒(Harry F. Noller ),揭示了核糖体——细胞内组装蛋白质的“工厂”——的结构,并确定了RNA对其机制的重要性。核糖体是细胞内的蛋白加工工厂,看起来就像缠在一团的橡皮圈和螺旋线。通过解析它们的卷曲和折叠,科学家们可以更好地理解基因密码如何被翻译出来。他和同事用X-射线晶体衍射获取了核糖体分子结构的第一张照片。他的工作阐明了核糖体是核糖核酸酶,其中包含一类催化化学反应的RNA分子,可把翻译出来的氨基酸缝合为蛋白质。

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在斯坦福大学工作的荷兰生物学家罗兰德·努斯(Roeland Nusse),其主要工作是研究与发育、癌症和干细胞生物学有关的细胞间信号系统。研究Wnt基因的先驱,后者在触发乳腺癌以及控制胚胎发育中起到了作用。1982年,努瑟发现了第一个Wnt基因。Wnt基因是Wnt信号通路的关键成员,在胚胎和干细胞发育、骨生长和癌症发展过程中发挥重要的作用,对成年人和发育的胚胎中细胞间的通讯也至关重要。Wnt信号通路在所有的动物中都存在。它参与多种生理过程,包括诱发小鼠乳腺癌和帮助编排果蝇的躯体构造。Wnt信号通路已经成为了机体的重要组成部分,它引发的分子级联反应可以影响整个身体系统的生长。

日本东京理工学院的生物学家大隅良典(Yoshinori Ohsumi),他研究了细胞自我吞噬,即细胞受损部分回收利用的机制。自噬失败与癌症和骨关节炎有关。大隅良典也是今年诺贝尔生理学或医学奖的获得者。

美国贝勒医学院神经学教授,霍华德·休斯医学研究院研究员、德克萨斯州儿童医院Jan和Dan Duncan神经学研究所所长胡达·佐格比(Huda Y Zoghbi)她发现了小脑萎缩症与雷特氏症的遗传因素与生化机理,发现了导致特定神经系统疾病的遗传学机制,此发现为治疗其他神经变性与神经系统疾病提供了希望。她发现了SCA1基因的突变导致一种神经退行性疾病——脊髓小脑性共济失调(Spinocerebellar ataxia,SCA)。SCA患者通常伴随手、脚和语言失控,而且通常是致命的。美国约有15万SCA患者,但遗憾的是,目前没有有效的治疗手段。扎戈比博士的发现提供了对抗这种疾病的理论基础。此外,扎戈比博士还在研究另外一种神经退行性疾病雷特综合征(Rett syndrome)。雷特综合征主要为女孩患病。在美国,每年有近1000例雷特综合症患者产生。扎戈比的团队深入研究16年,最终鉴定出Mecp2基因的突变可能导致雷特综合征。此外,她发现Mecp2基因在神经系统疾病中也发挥重要功能,为攻克这些疾病提供了新的希望。

基础物理学(共同获奖)

加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学家约瑟夫·波钦斯基(Joseph Polchinski)、哈佛大学的理论物理学家安德鲁·斯特鲁明格(Andrew Strominger)、哈佛大学的弦理论学家卡姆朗·瓦法(Cumrun Vafa)分享了这一奖项,以奖励他们在量子场理论、弦理论和量子引力方面的研究成就。

Polchinski 的全息原理提出,我们的3维宇宙其实是把一个巨大的多维结构2D投射到一个表面上。Strominger 和 Vafa 应用弦论和异次元物理来解释黑洞的行为,以及信息落入黑洞之后会发生什么事情。更多科学家解读:www.yangfenzi.com/tag/kexuejia

特别基础物理学奖(共同获奖)

加州理工学院的实验物理学家罗纳德·得雷弗(Ronald Drever)、理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne)和麻省理工学院的物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss),他们共同领导了LIGO项目,促成了引力波的发现。

数学突破奖(1位获奖者)

普林斯顿高等研究院的数学家让·布尔甘(Jean Bourgain),奖励他在高维几何学、偏微分方程、数论和其他数学特殊领域的贡献。Jean Bourgain曾在1994年获得菲尔兹奖,相当于数学界的诺贝尔奖。在四十年的学术生涯中,作为普林斯顿高等研究院的数学家,布尔甘平均每年发表10篇关于一些数学领域最难解的问题的文章。他近期的工作包括“去耦理论(decoupling theorem)”,这是对毕达哥拉斯定理应用于光和无线电波等振荡波时一个非常抽象的推论。毕达哥拉斯只是证明了三角形的两条短边的长度和斜边的关系,而布尔甘博士和印第安纳大学的西普里安·迪米特(Ciprian Demeter)博士证明的去耦理论指出波的叠加也有相似关系。

科学界奥斯卡科学突破奖揭晓:让科学家像摇滚明星一样名利双收

新视野奖

新视野奖颁发给有潜力的青年科学家和学者,分为物理和数学两项,获奖者将获得10万美元的奖金,33岁的华人物理学家尹希亦名列其中。

科学界奥斯卡科学突破奖揭晓:让科学家像摇滚明星一样名利双收

物理学新视野奖

加拿大安大略省圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)研究员阿斯米娜·阿瓦尼塔基(Asimina Arvanitaki)、斯坦福大学助理教授彼得·格拉姆(Peter Graham)和加州大学伯克利分校助理教授索吉·拉杰德兰(Surjeet Rajendran) ;

普林斯顿大学物理学教授西蒙·吉奥比(Simone Giombi)和哈佛大学物理系教授尹希(Xi Yin);

普林斯顿大学物理学教授弗朗斯·普利托瑞斯(Frans Pretorius)。

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数学新视野奖

哥伦比亚大学副教授穆罕默德·阿布扎德(Mohammed Abouzaid);

日内瓦大学终身教授雨果·敦米尼尔·柯平(Hugo Duminil-Copin);

俄勒冈大学助理教授本杰明·伊力艾斯(Benjamin Elias)和京都大学访问学者吉奥迪·威廉森(Geordie Williamson)。

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2 Responses

  1. 胡一鸣:LIGO早期三位发起人的故事说道:

    2016年12月4日,有着科学界“奥斯卡”之称的科学突破奖颁奖典礼在美国硅谷的NASA艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)举行,基普·索恩(Kip Thorne)、雷纳·韦斯(Rainer Weiss)和罗纳德·德雷福(Ronald Drever)的家人代表LIGO团队出席,接受科学突破奖特别奖。

    在这一万众瞩目的荣耀时刻,让我们再次回顾LIGO从最初设想到建设、落成的过程中起到关键作用的三位发起人的故事。

    撰文 | 胡一鸣(德国马普引力物理所、清华大学博士后,LIGO科学合作组织成员)
    责编 | 陈晓雪

    13亿年前,两个黑洞并合,其搅动时空产生的引力波信号开始了漫漫的星际旅途;2015年9月14日,刚刚升级完毕的激光干涉引力波探测器(LIGO)捕捉到了这个信号,并将之命名为GW150914。这标志着一个新纪元的开始:人类利用引力波这一全新的手段认识宇宙的时代终于到来。

    ►2016年2月11日,LIGO负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,LIGO发现了引力波。视频来源:LIGO新闻发布会直播

    在作出第一个发现之后,LIGO的观测也是捷报频传,今年六月又报告了另一个确凿无疑的GW151226信号和一个潜在的信号LVT151012,一连串的发现开启了人类鼓舞了我们探索宇宙的信心。

    这次代表LIGO领取科学突破奖特别奖的,是LIGO的三位重要成员,也是LIGO早期的发起人。其中,基普·索恩(Kip Thorne)是引力领域首屈一指的大牛,他在研究了多年的引力波理论后意识到引力波探测的重要性,并开始探寻实验测量引力波的途径;20世纪60年代,马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)宣布探测到引力波,引起了全球极大的兴趣,激光专家雷纳·韦斯受此启发,开始寻找通过激光干涉的方法探测引力波的方法,并且与索恩一起最终提出了LIGO这么一个项目;韦伯的引力波“探测”结果同时还刺激了位于苏格兰格拉斯哥大学的一对师生罗纳德·德雷福和詹姆斯·霍夫(James Hough),他们很快投身到引力波探测的实验中去,并很快在这个领域声名鹊起。在加州理工和麻省理工共同申请的LIGO项目申请时,加州理工面临的最大问题是,索恩是一个理论学家,并不做实验,所以加州理工需要更换一个在实验领域更有经验的项目领导。因此,德雷福被挖角至加州理工,并且承担了LIGO最早期的项目建设。

    基普·索恩

    ►基普·索恩,理论物理学家。来源:thelavinagency.com

    LIGO探测到引力波迎来了铺天盖地的新闻曝光,基普·索恩这个名字即便不是家喻户晓,也是被很多人所了解。然而,实际上对于专研引力的科学家而言,和这个名字相对应的是一个不羁放纵爱自由的一生:被誉为“引力圣经”的《引力》(Gravitation)》一书就是他与他的老师约翰·惠勒(John Wheeler)、师兄查尔斯·米斯纳(Charles W. Misner)合著而成;在很长的一段时间内,索恩都是引力领域的执牛耳者;他是霍金的答辩委员会成员,也是霍金著名赌约的对赌者;他提出了虫洞的概念,以科学的方法探讨时空穿越的可能;他奠定了LIGO创立的基石,从而捕捉到了引力波信号……

    索恩出生在一个书香门第,父母均为犹他州立大学的教授,索恩等五个孩子中有三个都走上了学术道路,成为了教授。在这样的家庭氛围下,索恩的学术才华迅速展现,成为了加州理工历史上最年轻的教授之一, 27岁成为加州理工助理教授、30岁的年纪升至正教授,以至于培养的第一个博士比他年纪还大。

    索恩的研究生涯适逢黑洞天文学观测的黄金时期,他和霍金都对黑洞物理学的发展做出了巨大的发展。当对天鹅座X1的初步观测支持它真的是一个黑洞时,两人采取了两个截然不同的态度:霍金太希望这个天体是真实的黑洞了,所以他签订了一个赌约:他选择押注天鹅座X1不是黑洞,这样,一旦输了赌约,他会因为黑洞的发现而高兴;万一赢了赌约,在科学上遇到挫折时至少还有赌金的获利可以聊以补偿;而一向乐观的索恩则赌天鹅座X1为黑洞。结果大家现在都知道了,索恩最终赢了这场著名的赌约。

    索恩另一个关于科学的有趣赌约发生在LIGO早期运行的过程中。当时LIGO为了测试整个系统的可靠性,通过一个内部小组秘密注入了一个人工的信号。这个信号的方向大致来自大犬座方向,因此被称为“大犬”事件。由于各种各样的问题,大家都怀疑这个信号是人工注入的,而索恩贯彻了他一贯的乐观,在与他的一个学生的对赌中选择了相信大犬事件来自太空,而笔者有幸见过他这场输了的、并不太为人所知的赌约。

    索恩同时还对科普抱有巨大的热情,除了自己写书科普与黑洞相关的科学知识以外,他和著名的科普、科幻大师卡尔·萨根(Carl Sagan)保持着极好的私交。当年萨根写作科幻小说《超时空接触》(Contact)时曾向索恩求助,有什么办法可以让主人公在极短的时间内穿越极远的距离。一开始萨根的设定是穿越黑洞,索恩在拿到这个问题后仔细思索,并给出了五十页写满公式的草稿,“一言以蔽之,曰虫洞”。

    在《超时空接触》被好莱坞搬上银幕以后,索恩意犹未尽,他联系了斯皮尔伯格,之后由于种种原因合作失败,转而找到了后起之秀克里斯·诺兰(Chris Nolan),合力打造一部科学上准确的与黑洞、时空穿越有关的硬科幻,这才有了《星际穿越》(Interstellar)的横空出世。细数风流人物,能同时在获得诺奖和获得奥斯卡奖项的工作中起到核心作用的,出了索恩大概也是没谁了。

    雷纳·韦斯

    ►雷纳·韦斯(Rainer Weiss),激光专家。来源:MIT News

    雷纳·韦斯出生在二战前的柏林,他的妈妈是一个演员,而他的爸爸则是一个医生。因为犹太血统,一家人在纳粹势力上升时逃离了德国,并辗转来到了美国的纽约市。

    韦斯的科研生涯起源于他少年时期装配收音机的经历。二战结束以后,变压器、真空管之类的军需物资供过于求,尤其在纽约市中心满大街都是这些物资,只要谁有兴趣、有力气都可以搬回家。有一次,他家附近的一个剧院着火,让韦斯有幸获得了一个免费的大功率公放。年少的韦斯靠着七拼八凑的器件组装了一些效果极佳的无线电收音机和高保真音响,周围的犹太难民都慕名而来,围着收音机收听纽约交响乐团的演奏。韦斯甚至开玩笑说,如果他没有去从事科学研究,也许可以靠着搭收音机大赚一笔。然而,早期的黑胶唱片会在他自制的留声机上发出刺耳的刮擦声,如何去除那种难听的噪声?这个问题一直让他百思不得其解,最终驱使他进入麻省理工,并步入科研的道路。

    韦斯不仅在引力波方面为天文学做出了巨大的贡献,他还是宇宙微波背景辐射热谱测量方面的专家,2006年赢得诺贝尔奖的COBE项目,他就是当时科学工作组的主席。当然,他最为人熟知的工作还是开创性地利用激光干涉的方法实现对引力波的测量。要测量像GW150914这样的引力波,需要精确地测量10-17 米的距离变化,或者说,一个质子直径的百分之一。传统的激光干涉可以将位置测量精确至光波的波长,也就是10-6米,这剩下的11个量级,就需要韦斯设想的新方法,加上许多新的技术才能实现。

    正是预见到了这样测量的困难,爱因斯坦在预测引力波的存在之后就悲观地认为这样的信号不可能被探测到。然而,韦伯声称利用他的韦伯棒探测到了引力波信号,这个消息在上世纪六七十年代激发了广大实验物理的专家对于引力波探测的热情。韦斯并不理解韦伯棒的具体原理,但是他在教授光学课程时意识到,激光干涉——这一高精度测距最常用的手段——也许可以用来构造引力波探测器。

    这个想法催生了LIGO这个耗资数亿美元的项目。今年六月,笔者有幸和美国国家科学基金委的委员以及韦斯一起参加过一次学术会议,他们一同回顾过LIGO的历史。美国国家科学基金委的委员说,我们之所以给LIGO这么多钱,并不是一下子就决定资助你们这几亿美元,而是因为你们有着扎实的实验能力,每一次都提出了切实可行的科学目标,而你们每一次都能按时完成你承诺的进展,让我们对你们的这个项目有足够的信心。

    罗纳德·德雷福

    ►罗纳德·德雷福(Ronald Drever),1972年。来源:James Hough

    同索恩一样,罗纳德·德雷福也出生于书香门第,他的叔叔、侄子都是教授,而他的兄弟也拥有博士头衔。少年时期的罗纳德·德雷福和韦斯一样,有着极强的变废为宝的能力,为了让家人可以观看英国女王伊丽莎白二世在1952年的加冕典礼,他用各种零件七拼八凑搭出一台电视机。

    他的早期研究包括利用光谱观测研究时空的各向异性。这种观测的零结果以极高的精度验证了狭义和广义相对论。当韦伯的引力波“探测”结果传来时,它不光引发了韦斯对于激光干涉的创意,同时还刺激了位于苏格兰格拉斯哥大学的这对师生:罗纳德·德雷福和詹姆斯·霍夫。他们着手建造了灵敏度较韦伯棒更高的棒状探测器,在仔细分析了他们的数据后他们得出了没有探测结果的结论,从此确认韦伯的所谓观测结果应该来自环境噪音。如今他们建造的探测器依旧陈列在格拉斯哥大学物理系的展示台,和开尔文勋爵的文物一起成为了该系的镇系之宝。

    20世纪70年代末,越来越多的人意识到激光干涉探测引力波有着更为广阔的前景,各个研究团队都争相申请搭建激光干涉引力波实验室。由于德雷福和霍夫在棒状引力波探测器上作出的突出成果,最终他们赢得了英国科技基金委的资助,并设立起一个10米的原型机。今天,这个团队已经演变成近百人的大组,尤其在悬挂减震、镀膜和激光干涉等方面引领全球。

    在加州理工和麻省理工联合申请LIGO立项时,由于索恩在实验方面并不擅长,他需要一个实验学家一同主导项目。索恩的第一人选其实是莫斯科国立大学的弗拉基米尔·布拉金斯基(Vladimir Braginsky,于今年3月去世),他们二人的合作可以追溯至上世纪六十年代。然而布拉金斯基并不想离开苏联,于是索恩转而向德雷福寻求帮助。很快,德福雷便在加州理工搭建起了一个40米的原型机,并加入了LIGO最高决策三人组。他在许多关键技术的研发上有着突出贡献,特别是信号回收镜的构思,可以将灵敏度大大提高。

    早期LIGO的运行一直由德雷福,索恩和韦斯这个三人小组负责。然而,由于LIGO这样的大型机构必然不同于单打独斗的小实验室,德雷福的理念与一些同事发生了冲突:他认为实验仪器的改进应当一步一个脚印,逐步完善;而另外一些科学家相信为了控制预算和时间,有时候哪怕系统并非十全十美,也应该停止手头的开发。此后,LIGO的运行一直由一个人主要负责。

    可惜的是,84岁的德雷福尽管依然健在,却已经患上老年痴呆,由他的兄弟陪护在爱丁堡附近的一家养老院里。我当然不能替任何人代言,但我斗胆猜测,包括最近去世的布拉金斯基,他们在有生之年最大的幸运,也许就是能够见证并亲身投身到引力波探测这一划时代的伟大探测。所有外界的一切,都比不上科学发现本身带来的美丽和震撼吧。

  2. 胡一鸣:LIGO早期三位发起人的故事说道:

    2016年12月4日,有着科学界“奥斯卡”之称的科学突破奖颁奖典礼在美国硅谷的NASA艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)举行,基普·索恩(Kip Thorne)、雷纳·韦斯(Rainer Weiss)和罗纳德·德雷福(Ronald Drever)的家人代表LIGO团队出席,接受科学突破奖特别奖。

    在这一万众瞩目的荣耀时刻,让我们再次回顾LIGO从最初设想到建设、落成的过程中起到关键作用的三位发起人的故事。

    撰文 | 胡一鸣(德国马普引力物理所、清华大学博士后,LIGO科学合作组织成员)
    责编 | 陈晓雪

    13亿年前,两个黑洞并合,其搅动时空产生的引力波信号开始了漫漫的星际旅途;2015年9月14日,刚刚升级完毕的激光干涉引力波探测器(LIGO)捕捉到了这个信号,并将之命名为GW150914。这标志着一个新纪元的开始:人类利用引力波这一全新的手段认识宇宙的时代终于到来。

    ►2016年2月11日,LIGO负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,LIGO发现了引力波。视频来源:LIGO新闻发布会直播

    在作出第一个发现之后,LIGO的观测也是捷报频传,今年六月又报告了另一个确凿无疑的GW151226信号和一个潜在的信号LVT151012,一连串的发现开启了人类鼓舞了我们探索宇宙的信心。

    这次代表LIGO领取科学突破奖特别奖的,是LIGO的三位重要成员,也是LIGO早期的发起人。其中,基普·索恩(Kip Thorne)是引力领域首屈一指的大牛,他在研究了多年的引力波理论后意识到引力波探测的重要性,并开始探寻实验测量引力波的途径;20世纪60年代,马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)宣布探测到引力波,引起了全球极大的兴趣,激光专家雷纳·韦斯受此启发,开始寻找通过激光干涉的方法探测引力波的方法,并且与索恩一起最终提出了LIGO这么一个项目;韦伯的引力波“探测”结果同时还刺激了位于苏格兰格拉斯哥大学的一对师生罗纳德·德雷福和詹姆斯·霍夫(James Hough),他们很快投身到引力波探测的实验中去,并很快在这个领域声名鹊起。在加州理工和麻省理工共同申请的LIGO项目申请时,加州理工面临的最大问题是,索恩是一个理论学家,并不做实验,所以加州理工需要更换一个在实验领域更有经验的项目领导。因此,德雷福被挖角至加州理工,并且承担了LIGO最早期的项目建设。

    基普·索恩

    ►基普·索恩,理论物理学家。来源:thelavinagency.com

    LIGO探测到引力波迎来了铺天盖地的新闻曝光,基普·索恩这个名字即便不是家喻户晓,也是被很多人所了解。然而,实际上对于专研引力的科学家而言,和这个名字相对应的是一个不羁放纵爱自由的一生:被誉为“引力圣经”的《引力》(Gravitation)》一书就是他与他的老师约翰·惠勒(John Wheeler)、师兄查尔斯·米斯纳(Charles W. Misner)合著而成;在很长的一段时间内,索恩都是引力领域的执牛耳者;他是霍金的答辩委员会成员,也是霍金著名赌约的对赌者;他提出了虫洞的概念,以科学的方法探讨时空穿越的可能;他奠定了LIGO创立的基石,从而捕捉到了引力波信号……

    索恩出生在一个书香门第,父母均为犹他州立大学的教授,索恩等五个孩子中有三个都走上了学术道路,成为了教授。在这样的家庭氛围下,索恩的学术才华迅速展现,成为了加州理工历史上最年轻的教授之一, 27岁成为加州理工助理教授、30岁的年纪升至正教授,以至于培养的第一个博士比他年纪还大。

    索恩的研究生涯适逢黑洞天文学观测的黄金时期,他和霍金都对黑洞物理学的发展做出了巨大的发展。当对天鹅座X1的初步观测支持它真的是一个黑洞时,两人采取了两个截然不同的态度:霍金太希望这个天体是真实的黑洞了,所以他签订了一个赌约:他选择押注天鹅座X1不是黑洞,这样,一旦输了赌约,他会因为黑洞的发现而高兴;万一赢了赌约,在科学上遇到挫折时至少还有赌金的获利可以聊以补偿;而一向乐观的索恩则赌天鹅座X1为黑洞。结果大家现在都知道了,索恩最终赢了这场著名的赌约。

    索恩另一个关于科学的有趣赌约发生在LIGO早期运行的过程中。当时LIGO为了测试整个系统的可靠性,通过一个内部小组秘密注入了一个人工的信号。这个信号的方向大致来自大犬座方向,因此被称为“大犬”事件。由于各种各样的问题,大家都怀疑这个信号是人工注入的,而索恩贯彻了他一贯的乐观,在与他的一个学生的对赌中选择了相信大犬事件来自太空,而笔者有幸见过他这场输了的、并不太为人所知的赌约。

    索恩同时还对科普抱有巨大的热情,除了自己写书科普与黑洞相关的科学知识以外,他和著名的科普、科幻大师卡尔·萨根(Carl Sagan)保持着极好的私交。当年萨根写作科幻小说《超时空接触》(Contact)时曾向索恩求助,有什么办法可以让主人公在极短的时间内穿越极远的距离。一开始萨根的设定是穿越黑洞,索恩在拿到这个问题后仔细思索,并给出了五十页写满公式的草稿,“一言以蔽之,曰虫洞”。

    在《超时空接触》被好莱坞搬上银幕以后,索恩意犹未尽,他联系了斯皮尔伯格,之后由于种种原因合作失败,转而找到了后起之秀克里斯·诺兰(Chris Nolan),合力打造一部科学上准确的与黑洞、时空穿越有关的硬科幻,这才有了《星际穿越》(Interstellar)的横空出世。细数风流人物,能同时在获得诺奖和获得奥斯卡奖项的工作中起到核心作用的,出了索恩大概也是没谁了。

    雷纳·韦斯

    ►雷纳·韦斯(Rainer Weiss),激光专家。来源:MIT News

    雷纳·韦斯出生在二战前的柏林,他的妈妈是一个演员,而他的爸爸则是一个医生。因为犹太血统,一家人在纳粹势力上升时逃离了德国,并辗转来到了美国的纽约市。

    韦斯的科研生涯起源于他少年时期装配收音机的经历。二战结束以后,变压器、真空管之类的军需物资供过于求,尤其在纽约市中心满大街都是这些物资,只要谁有兴趣、有力气都可以搬回家。有一次,他家附近的一个剧院着火,让韦斯有幸获得了一个免费的大功率公放。年少的韦斯靠着七拼八凑的器件组装了一些效果极佳的无线电收音机和高保真音响,周围的犹太难民都慕名而来,围着收音机收听纽约交响乐团的演奏。韦斯甚至开玩笑说,如果他没有去从事科学研究,也许可以靠着搭收音机大赚一笔。然而,早期的黑胶唱片会在他自制的留声机上发出刺耳的刮擦声,如何去除那种难听的噪声?这个问题一直让他百思不得其解,最终驱使他进入麻省理工,并步入科研的道路。

    韦斯不仅在引力波方面为天文学做出了巨大的贡献,他还是宇宙微波背景辐射热谱测量方面的专家,2006年赢得诺贝尔奖的COBE项目,他就是当时科学工作组的主席。当然,他最为人熟知的工作还是开创性地利用激光干涉的方法实现对引力波的测量。要测量像GW150914这样的引力波,需要精确地测量10-17 米的距离变化,或者说,一个质子直径的百分之一。传统的激光干涉可以将位置测量精确至光波的波长,也就是10-6米,这剩下的11个量级,就需要韦斯设想的新方法,加上许多新的技术才能实现。

    正是预见到了这样测量的困难,爱因斯坦在预测引力波的存在之后就悲观地认为这样的信号不可能被探测到。然而,韦伯声称利用他的韦伯棒探测到了引力波信号,这个消息在上世纪六七十年代激发了广大实验物理的专家对于引力波探测的热情。韦斯并不理解韦伯棒的具体原理,但是他在教授光学课程时意识到,激光干涉——这一高精度测距最常用的手段——也许可以用来构造引力波探测器。

    这个想法催生了LIGO这个耗资数亿美元的项目。今年六月,笔者有幸和美国国家科学基金委的委员以及韦斯一起参加过一次学术会议,他们一同回顾过LIGO的历史。美国国家科学基金委的委员说,我们之所以给LIGO这么多钱,并不是一下子就决定资助你们这几亿美元,而是因为你们有着扎实的实验能力,每一次都提出了切实可行的科学目标,而你们每一次都能按时完成你承诺的进展,让我们对你们的这个项目有足够的信心。

    罗纳德·德雷福

    ►罗纳德·德雷福(Ronald Drever),1972年。来源:James Hough

    同索恩一样,罗纳德·德雷福也出生于书香门第,他的叔叔、侄子都是教授,而他的兄弟也拥有博士头衔。少年时期的罗纳德·德雷福和韦斯一样,有着极强的变废为宝的能力,为了让家人可以观看英国女王伊丽莎白二世在1952年的加冕典礼,他用各种零件七拼八凑搭出一台电视机。

    他的早期研究包括利用光谱观测研究时空的各向异性。这种观测的零结果以极高的精度验证了狭义和广义相对论。当韦伯的引力波“探测”结果传来时,它不光引发了韦斯对于激光干涉的创意,同时还刺激了位于苏格兰格拉斯哥大学的这对师生:罗纳德·德雷福和詹姆斯·霍夫。他们着手建造了灵敏度较韦伯棒更高的棒状探测器,在仔细分析了他们的数据后他们得出了没有探测结果的结论,从此确认韦伯的所谓观测结果应该来自环境噪音。如今他们建造的探测器依旧陈列在格拉斯哥大学物理系的展示台,和开尔文勋爵的文物一起成为了该系的镇系之宝。

    20世纪70年代末,越来越多的人意识到激光干涉探测引力波有着更为广阔的前景,各个研究团队都争相申请搭建激光干涉引力波实验室。由于德雷福和霍夫在棒状引力波探测器上作出的突出成果,最终他们赢得了英国科技基金委的资助,并设立起一个10米的原型机。今天,这个团队已经演变成近百人的大组,尤其在悬挂减震、镀膜和激光干涉等方面引领全球。

    在加州理工和麻省理工联合申请LIGO立项时,由于索恩在实验方面并不擅长,他需要一个实验学家一同主导项目。索恩的第一人选其实是莫斯科国立大学的弗拉基米尔·布拉金斯基(Vladimir Braginsky,于今年3月去世),他们二人的合作可以追溯至上世纪六十年代。然而布拉金斯基并不想离开苏联,于是索恩转而向德雷福寻求帮助。很快,德福雷便在加州理工搭建起了一个40米的原型机,并加入了LIGO最高决策三人组。他在许多关键技术的研发上有着突出贡献,特别是信号回收镜的构思,可以将灵敏度大大提高。

    早期LIGO的运行一直由德雷福,索恩和韦斯这个三人小组负责。然而,由于LIGO这样的大型机构必然不同于单打独斗的小实验室,德雷福的理念与一些同事发生了冲突:他认为实验仪器的改进应当一步一个脚印,逐步完善;而另外一些科学家相信为了控制预算和时间,有时候哪怕系统并非十全十美,也应该停止手头的开发。此后,LIGO的运行一直由一个人主要负责。

    可惜的是,84岁的德雷福尽管依然健在,却已经患上老年痴呆,由他的兄弟陪护在爱丁堡附近的一家养老院里。我当然不能替任何人代言,但我斗胆猜测,包括最近去世的布拉金斯基,他们在有生之年最大的幸运,也许就是能够见证并亲身投身到引力波探测这一划时代的伟大探测。所有外界的一切,都比不上科学发现本身带来的美丽和震撼吧。

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