​霍金在公开场合与人打赌，从来没赢过？ | 知识分子书店-凯时尊龙官网

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撰文 | 珍娜·莱文（janna levin）

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科学界的人都知道，史蒂芬·霍金与人打赌的胜率非常低。他在公开场合与人打赌，从来没有赢过。一次，霍金与加州理工学院的理论学家约翰·普雷斯基尔打赌，称任何信息都无法逃离黑洞，即使他本人发现的“霍金辐射”也无法将信息带出黑洞。后来，他认输了，尽管很多人（包括普雷斯基尔）都说认输为时尚早。基普也参与了这次打赌，而且与霍金站在同一边，但是他至今没有认输。

霍金坚信人类永远无法找到希格斯粒子（我们所在的物质世界的黏合剂）。实验物理学家利昂·莱德曼给希格斯粒子起了一个非常著名的昵称——“该死的粒子”。但是，出版社不愿意采纳这个名字，把他那本书的书名改成了“上帝粒子”。不幸的是，霍金在打赌方面的败绩还在延续。希格斯粒子被找到了，还有人因此获得诺贝尔物理学奖。希格斯粒子的发现既令人失望，（这方面的研究是不是已经到了穷途末路？）又是一大胜利。（他们成功了！）

此外，它还让霍金输给同事戈登·凯恩几百美元。霍金也就外星人杀手、机器人等问题跟人打过一些非常奇怪的赌。这些问题的答案都不大可能揭晓，因此这些赌局也许会让他取得有史以来最好的战绩。

批评霍金是一个拙劣的赌徒（不是说他嗜赌成瘾，而是说他十赌九输），也许会让我们对他最著名的赌局的重大意义视而不见。霍金跟基普打赌，说从地球上看天空中最明亮的x射线源之一天鹅座x–1 中没有黑洞。二人打赌的时间是在1974 年，距离人们从天鹅座探测到x射线已经过去10 年时间了。当时，霍金投入大量精力对黑洞进行深入研究，并因为发现黑洞可能会消失而确立了自己的学术地位。有时候，霍金会两边下注，目的纯粹是找乐子。

霍金与基普的那个赌局在游戏规则的开头指出：“尽管史蒂芬·霍金在广义相对论和黑洞这两个研究领域投入了大量精力，并且希望为此购买一份保险，但基普·索恩却想将生活置于没有保险保障的危险境地……”1990 年，霍金带着一群人来到基普的办公室去认输，但基普不在办公室里，他在苏联。霍金在银行本票上摁了手印，根据商定的赔付方式，付款为基普订阅了一份色情杂志。

结果，“基普的太太为此勃然大怒”，至少传言是这么说的。但是，思想开明的基普太太——卡罗莉·乔伊斯·温斯坦说：“我根本没有生气，我当时的反应主要是惊讶……我以为妇女解放运动已经颇有成效，人们对这一类事物应该可以坦然接受。很显然，我错了。可能这件事令媒体不知所措，所以他们杜撰了这个‘基普的太太勃然大怒’的故事。”在从不故作正经的卡罗莉看来，这件事很有意思。

与好友霍金相比，基普是一名高明的赌徒。他宣称，只要赌局不设截止日期，他就不会输。他曾经在一个设定了截止日期的赌局中输给了耶利米·奥斯特里克，原因是这位多产的天体物理学家正好是天鹅座x–1 x射线衍射理论的提出者之一。

就在罗克斯·沃格特努力说服美国国会拨款时，基普·索恩正在科研一线四处游说。20 世纪80 年代，基普在普林斯顿大学的礼堂做过一场热情洋溢的演讲。坐在台下的耶利米·奥斯特里克不想在演讲过程中给基普添麻烦，但是他暗暗地想：“他是从哪里得到这些数字的呢？”他指的是强度足以被ligo探测到的引力波发射源的估计数量。奥斯特里克相信引力波是由天体系统产生的，但是他认为引力波的强度和数量应该不足以使基普的梦想成真。

之前，当有人指责他过于乐观时，基普会用参考文献、文件资料和公开发表的各种图表，耐心地对他们进行驳斥。基普找出他在1980 年发表的一篇文章，指着其中的一个图表对我说：“关于‘引力波的强度究竟多大才不会颠覆我们在引力属性和银河系天体物理结构这两个方面的坚定信念’这个问题，这条‘坚定信念’线可以告诉我们答案。这条线对应的是一个无比喧闹的天空，我从来没有说它代表的是引力波的真实强度。”在那篇文章中，基普写道：“不过，现在和不久前流行于世的宇宙模型都预测最强的（脉冲信号）应该远低于这条‘坚定信念’线。”尽管这些模型中有的已经过时，但是人们研发高灵敏度探测器的劲头却从未松懈，所以今天的高新探测器才能达到现有的灵敏度。（1978 年，某一个学术会议甚至还给与会者发放了t恤衫，上面印着“达不到10–21，我们誓不罢休！”的字样。）

耶利米·奥斯特里克与同样来自普林斯顿大学的约翰·巴考尔对ligo探测器的批评可能最为严厉。富有魅力、善于游说的ligo宣传运动发起者（他们可能会称之为宣传员）基普深知，他的同行和美国国会那些人对于历时较长而又没有成功保证的大型科研项目肯定不会认同，因此他必须想办法让他们改变观念。基普可以摆出确凿的科学依据，证明ligo很有可能探测到天体信号。他们能听到一些声音，这种可能性非常高，几乎可以保证。

但是，即使是现在，基普也不会保证他们绝对可以探测到引力波。无论人们以前是怎么想的，一些信号源的真实性现在已经不会引起争议了。那些致密双星，只要我们知道它们确实存在，就能保证ligo项目立于不败之地。即使有很多问题尚未确定，作为引力波信号源，它们仍然可以保证地球上的这些天文台取得成功。修饰语“致密”描述的是恒星坍缩后形成的白矮星、中子星和黑洞。它们都是致密星体，体积较小，质量却非常大。而且，它们都已经“死亡”，不论以前是什么样子，现在都无法发射出明亮的光芒了。

在雷纳刚开始构思ligo项目的时候，对信号源的确定程度还没有现在这么高。惠勒创造“黑洞”这个名词已经是20 年前的事情了，备受尊重的天体物理学家对于理论证据可以泰然处之，他们的更高目标是获得经验证据。他们设定的这个目标显然没有问题，但是人们总能找到其他方法解释不断增加的证据，而且这些方法变得越来越复杂（为了达到曲解数据的目的，他们甚至会扯出气体云）。雷纳说：“与奥卡姆剃刀定律相悖，这些解释极其复杂、随意……我的意思是如果麻省理工学院最受尊敬的教授们认为黑洞不存在，我就不会去学校申请探测黑洞所需的资金。”但是，所有人都非常激动。脉冲星的发现让很多科学家深信中子星是存在的。在蟹状星云中心星被发现之后，科学界终于相信中子星是引力坍缩的最终状态，至少对于某些恒星来说是这样的。天鹅座x–1 等明亮的x射线源为黑洞的存在提供了证据。最后的结论是赫尔斯– 泰勒脉冲星系统以间接的方式证明损失的能量转化成了引力波。既然有那么多的人相信恒星死亡后会变成致密星体，引力波信号源的存在就应该确定无疑了。但问题是，有多少信号源呢？

白矮星和中子星发出的光非常暗淡，如果位于银河系外，就根本看不到。在直径约为10 万光年的银河系里，我们能看到可以证明白矮星和中子星存在的证据。离银河系最近的大型星系是仙女星系，距离我们大约250 万光年。我们可以看见遥远星系里的超新星，但如果距离达到数百万甚至数十亿光年，我们就无法看到。

这些超新星爆发后形成的致密星体。我们有充分的理由相信，可以根据对银河系的了解推断其他星系的相关情况。在可以观察到的宇宙空间里有无数星系，每个星系又包含数不清的恒星。星系的数量难以统计，恒星的数量更是不计其数，其中必然有一些恒星死亡后留下的残骸。但是，银河系以外的致密星体非常暗淡，用望远镜是观察不到的。

既然有那么多的致密星体，ligo项目组自然希望可以借助引力波探测器探测到它们。在太空里静止不动的致密星体不会发射引力波，就像放着不动的鼓槌不会让鼓发出声音一样。要把鼓敲响，鼓槌必须动起来。这些致密星体必须运动起来，才能将能量传递至引力波。赫尔斯– 泰勒脉冲星以越来越快的速度，围绕另一颗中子星运转。尽管超新星爆发可能会将伴星弹射出去，但大多数双星系统很可能都是成对“出生”、成对“死亡”的。ligo项目组苦苦搜寻的是那些同时死亡的双星系统。这些致密星体以越来越快的速度沿轨道运转，就像鼓槌敲打着时空这面巨鼓，奏响了美妙的引力波蓝调。

致密双星系统沿轨道运转时，产生时空的涟漪需要消耗能量，因此它们会旋近（inspiral），也就是说，相互之间的距离会逐渐缩小。每转一圈，它们之间的距离就会缩小一点儿，运行周期也会缩短一点儿。

所有双星系统，无论是不是致密星体，都会发射引力波。由于引力波造成的能量损失，除了太阳系效应引起的其他变化，地球在自转的同时也在慢慢地向太阳靠近。同样，月球在向地球靠近，太阳则不断接近银河系的中心位置。但是，所有这些旋近都非常缓慢，它们发射的引力波极其微弱，几乎无法探测到。整个过程所需的时间非常长，远超宇宙存在的时间。太阳将第一个死亡，银河系首先会与仙女星系碰撞。世界末日到来时，人类仍然在地球上用引力波探测器探测天文异象的可能性不大。霍金也许可以拿这个与别人打赌，权当娱乐。但是，ligo探测器有可能发现致密双星系统旋近的最终状态。

想象一下，黑洞碰撞的最后时刻会出现哪些场景。首先是两个黑洞（假设它们的直径分别是60 千米）在太空中相互围绕对方运行。它们的速度非常快，每秒运行几百圈。随后，它们相互碰撞合并为一体。在这个过程中，它们的运动使空间发生振荡。由于强度比较大，当引力波从地球上方经过时，我们可以探测到这场大灾难。只有到了最后时刻，引力波足够强，才会被探测器捕捉到。致密双星系统的寿命通常有数十亿年。如果把观察目标限制在银河系范围内，在这些致密双星系统生命终结前的15 分钟里探测到它们的可能性将会非常小，这一点令人十分气馁。

银河系里中子星相互碰撞的发生频率大约是每一万年一次，但是预测工作仍然充满不确定性。中子星与黑洞碰撞的发生频率可能是几十万年一次，黑洞相互碰撞的发生频率可能是200 万年一次。因此，花50 年的时间建造ligo探测器，却只用来记录银河系内发生的致密星体碰撞现象，是一个非常愚蠢的想法。

ligo探测器必须记录数百万个星系引发的空间振荡，才能使记录黑洞碰撞的成功概率达到科学合理的程度（比如，在试运行一年内取得成功）。其他星系距离我们非常遥远，因此ligo探测器必须探测遥远的空间，把更多的可能目标纳入探测范围。但是，探测距离越远，信号就越微弱。因此，尽管第一代ligo探测器完成了6 次科研运行（探测器全面运转并记录数据的次数），但它们只能观测到大约4 500 万光年距离范围内的成对中子星，最远可达附近的室女座星系团。成对黑洞的可探测范围略大于成对中子星的可探测范围。这个距离似乎已经非常远了，但还不能满足引力波探测的需要。因此，第一代探测器一无所获。

几十年前，基普在普林斯顿大学做了那场演讲之后，奥斯特里克问了一个萦绕在他心头多时的问题：“你是从哪里得到这些数字的？”只在信号源数量非常多的情况下，第一代探测器才有可能捕捉到某些声音，否则，它们有所发现的可能性非常小。根据理论，信号源大量存在的可能性难以估计。基普说，信号源数量的那些最高估计值至少符合物理定律，那些最低估计值则是他们一直追求的目标。出身天文学世家的奥斯特里克坚持认为这些数字令人迷惑，与天文学的现实情况格格不入。

大约在30 年前，基普与人打赌，称ligo探测器在2000 年1 月1 日就会探测到引力波。他坚信这是不可能的。奥斯特里克是这场赌局的另一方，他坚信这是不可能的。奥斯特里克为这个赌局设置了几个科学合理的条件，包括：至少有两个团队承认引力波已经被成功地探测到，而且这两个团队必须承认彼此对探测结果的分析是正确的。事实证明，奥斯特里克纯属多此一举。2000 年1 月1 日悄然而至，又悄然而逝，刚刚组装完成的第一代ligo探测器没有采集到任何相关数据。奥斯特里克宣称：“我贴在他墙上的赌局协议突然消失了。”

基普回应道：“坦率地说，我认为那份协议一直在墙上。为了签字确认，我把它从墙上拿了下来，但几天之后我又把它贴回去了。”

奥斯特里克说他并没有马上要求基普兑现赌注，而且不断地在他的朋友圈里对他表示关心：“基普没事吧？”他的目的是通过这种不急不躁又锲而不舍的方式，让基普的朋友们提醒他该掏腰包了。

基普反驳说：“奥斯特里克肯定记错了。2000 年1 月1 日，我输掉了这场赌局。后来，我收到了奥斯特里克手写的、落款日期为2000 年4 月18 日的便条：‘收到你寄给我的一张令人愉悦的便条，还有一瓶品质上佳的红酒，万分感谢！我和吉姆·冈恩、博赫丹·帕钦斯基、斯科特·特里梅因以及马丁·李斯一起分享了那瓶酒。我们还为你的健康，为引力波探测，尤其是ligo项目取得成功干杯。祝一切安好！你真诚的朋友，耶利米。’”

同耶利米·奥斯特里克一样对ligo项目感到非常恼火的天文物理学家大有人在。奥斯特里克特别提出，ligo项目有不合理的地方。《天文学与天体物理学十年调查报告》的宗旨是就未来10年美国应重点资助哪些天文学和天体物理学研究项目提出建议，是科学自治的一个重要表现。奥斯特里克参与了过去三期的编写工作。尽管至今仍然不清楚约翰·巴考尔是否曾经拒绝将ligo项目收入其中，但是ligo项目最终没有入选的确是事实。过去几十年里，所有重大项目都通过了该调查报告的审查，但ligo项目是一个例外，这令奥斯特里克感到十分恼火。他和其他人不满ligo项目组用资金修建那些管道，而不是用来培养研究生。

对于这个问题，基普提出了不同看法：“关键问题是，为ligo项目提供资金支持的是国家科学基金会的物理学部，而不是天文学部。所以，有发言权的只能是物理学部，而不是天文学部。

“ligo项目通过了物理学部十年调查委员会的审查……在找到新的资金渠道之前，为ligo项目提供资金的一直是国家科学基金会物理学部。ligo项目获得批准的一个重要原因是，从20世纪80 年代中期开始我们组织了大量的评估活动，而且委员会的成员都是一些不讲情面的物理学家，例如理查德·加尔文。如果没有这些评估活动，国家科学基金会绝不可能批准ligo项目的资金申请。”

一位不愿意透露姓名的批评者指出，基普出身摩门教家庭，天生就善于游说。他还认为，长大后的基普抛弃了枯燥乏味的说教和性别歧视，也不再是一名虔诚的摩门教徒，基普一直想为自己改变宗教信仰找到一个正义的理由，ligo项目恰好是一个合适的理由。耗费巨额资金、前途未卜的ligo项目为什么可以申请到资金呢？因为基普富有魅力，是一名高明的说客。此外，他在科研方面考虑问题缜密周到，对技术发展现状的分析与评估清楚明了，为人诚实正直、受人尊重。因此，基普说的话往往令人信服。尽管从技术上讲，第一代ligo探测器取得了成功，但是它们没有捕捉到任何关于引力波的信息。要想记录距离我们数十亿光年的宇宙传来的微弱声音，必须解决一系列技术难题。根据设计，高新ligo探测器的探测距离可达10 亿光年，包含了成千上万个星系。天文学家认真地估算了恒星的数量、大小和寿命，试图预测出现在探测范围内的致密双星系统的数量，从而估计到底有多少个可能的信号源。尽管目前的信号源估计数量引起了争议，悲观意见与乐观看法并存，但是信号源确实存在。无法保证的是，致密双星系统发生碰撞的地点是否在可探测范围内，以及碰撞发生时人类是否还存在。

只有造物主慷慨地提供足够多的信号源，在（一两年，而不是二三十年内）完成合理次数的科研运行，探测器才会捕捉到宇宙的声音。如果探测器在几年时间里一无所获，人们可能就不愿意继续使用它们了。同时，ligo项目组也需要进一步证明人们的投入物超所值，也就是说，他们必须有“从事天文学研究”的能力。面对批评者的质疑，很多人焦虑不安，还有很多人不辞劳苦地做着各种计算，希望可以拓展ligo探测器在天体物理学领域的应用。ligo项目组还要面对众多批评者的评头论足，并向天体物理学界证明自己的存在价值。对于项目的合作者来说，棘手的问题是：ligo项目会产生良好的收益吗？巨大的投入能否换回足够多的科研成果？

目前，ligo探测器是唯一一种拥有引力波探测能力的机器，因此无法满足耶利米·奥斯特里克的赌约条件—至少有两个团队承认引力波已经被成功探测到，而且这两个团队必须承认对方对探测结果的分析是正确的。然而，奥斯特里克说，如果人们可以利用望远镜完成同步探测，他也能接受。当超新星或中子星这些致密星体碰撞时，不仅会发出巨大的声响，还会发出明亮的光。现在，高新ligo探测器已经基本建成，奥斯特里克当然感兴趣。

而且，他没有任何偏见。同众多科学家一样，对于科研成果，他不会冷嘲热讽，而是欢欣鼓舞。但是，他还是与ligo团队的一名科学家（不是基普）打了一个赌。奥斯特里克认为，他们探测到引力波，并且探测结果能被望远镜证实，这在2019 年1 月1 日之前是不可能实现的。

在远长于人类既有历史的遥远未来（就像古戈尔普勒克斯a远远大于138 亿一样，宇宙138 亿年的历史与未来岁月相比，也是微不足道的），宇宙中的所有恒星都将死亡，那些符合条件的恒星会坍缩成黑洞。宇宙万物都会被吸进黑洞，然后一些黑洞会被质量更大的黑洞吸收，再然后宇宙中的所有黑洞都会蒸发，产生霍金辐射。整个过程将会耗费非常长的时间。（“永恒是很长的时间，特别是对尽头而言。”）目前，我们生活在地球上，天空非常明亮，似乎听不见宇宙的任何喧嚣声。所以，这次的赌局是：太空并不是那么安静。

本文节选自美国哥伦比亚大学巴纳德学院物理学与天文学教授珍娜·莱文所著科普书籍《引力波》（black hole blues），中文版由中信出版集团出版，现已在“知识分子书店”上架，点击“阅读原文”可见。

制版编辑： 许逸｜