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AI芯天下丨基普·S·索恩:科学与艺术的跨界达人

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他13岁爱上物理学

他是电影《星际穿越》的科学顾问

他和斯蒂芬·霍金是同事

他是2017年诺贝尔物理学奖得主

他就是LIGO引力波探测项目创始人之一——基普·S·索恩Kip Stephen Thorne

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基普·S·索恩Kip Stephen Thorne

(1946.6.1 - )

美国理论物理学家,2017年10月3日,因在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献,荣获诺贝尔物理学奖。他的主要贡献在于引力物理和天体物理学领域,目前担任加州理工学院费曼理论物理学教授,是当今世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一。

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天赋异禀

索恩年轻时就在学术领域取得了非凡的成就,他在三十岁时成为了加州理工学院历史上最年轻的正教授之一。他于1962年获得加州理工学院的学士学位,而在1965年就获得了普林斯顿大学的博士学位。

在著名的物理学家约翰·惠勒的指导下,索恩完成了名为《圆柱系统的几何动力学》(Geometrodynamics of Cylindrical Systems)的博士论文。

基普·索恩(左)和同事在讨论观测设备

1967年索恩回到加州理工学院并成为了一名副教授,其后在1970年获得教授职位,1981年起担任威廉·科南(William R Kenan, Jr.)教授,自1991年起担任费曼理论物理学教授。

多年来索恩一直扮演着众多前沿理论学者的导师和论文指导者的角色,这些人目前都活跃在广义相对论的观测、实验和天体物理学等领域。到目前为止,出自索恩门下的加州理工学院物理博士毕业生大约有五十名左右。

1975年的基普和霍金(右)

索恩善于向他人展示在引力物理和天体物理学领域的一些发现的令人兴奋并且重要之处,不仅是面向学术界,同时也能够让大众了解。

1999年,索恩预言在二十一世纪人类将能够对下面一些未解决的问题做出回答:

是否存在这样一个“宇宙的黑暗面”,其中遍布诸如黑洞一样的暗物质天体?

我们能否通过时空的扰动,即引力波,来观测宇宙的诞生和黑暗面等未知领域? 

21世纪的技术能否观测到像人类尺寸大小物体的量子行为?

美国的PBS电视网和英国的BBC电视网都播放过索恩关于黑洞、引力波、相对论、时间旅行以及虫洞等主题的公众演讲节目。

2

打造星际穿越

2014年,索恩作为执行制作人,帮助导演克里斯托弗·诺兰 (Christopher Nolan) 创作出脍炙人口的科幻电影《星际穿越》。

然而这并不是索恩首次涉足影视,早在30多年前,卡尔·萨根就把索恩和电影制作人琳达·布斯特  (Lynda Obst)“撮合”到一起。1997年时,她曾参与制作科幻影片《接触》,其中用于时空穿越的虫洞理论就来自索恩的帮助。

当作为《星际穿越》的执行制作人时,索恩发挥的作用重要了很多。

基普·索恩和导演克里斯托弗·诺兰

他首先为电影设定了两条基本原则:一切都不能违反物理学定律;想象内容也需要良好的科学支持,不能凭空想象。

“导演对此的态度是,只要不妨碍制造一部精彩的影片,他都没有意见。”索恩介绍,“不过片中确实有几个地方从科学上讲有点夸张了,不至于讲不通,但发生的可能性确实不大。”

当时最大的分歧就是,诺兰想让宇宙飞船超越光速飞行,索恩的态度则是:别想。

“有时候我会说,‘我不认为这行得通,那肯定要严重地违反物理学定律。’”索恩回忆,“然后导演会这么说,‘去算一下是不是真的不行?’于是我跑去计算一番,回来告诉他:‘看来是我错了,这确实可行。’”

对于超光速的飞船来说,显然,计算结果很明确:不可能。不过索恩在此事上和诺兰争执了两三周,直到诺兰妥协。

由保罗·富兰克林 (PaulFranklin) 带队的视觉效果团队和索恩也有着密切的合作。在索恩的计算基础上,他们将那些基于爱因斯坦光传播理论的概念转化为真实具体的描绘,这包括《星际穿越》中的黑洞和虫洞等等。

在索恩看来,片中的黑洞卡冈都亚 (Gargantua) 可谓最迷人、最令人信服的一个版本。当然,最精确的描绘还是得去找天体物理学家才能看到。

黑洞卡冈都亚丨《星际穿越》

在那之后,索恩开创性地发表过两篇论文,一篇是写给天体物理学家的,一篇是写给电影制作人的,告诉他们要如何开发和使用这些需要把物理学和电影制作相结合的技术。

然而人类能否真的进行星际旅行呢?索恩是这样看的:“我想这很可能实现,但至少要在三百年以后。那确实非常非常难。”

3

如何成为杰出的科学家

基普·S·索恩Kip Stephen Thorne

2018年11月3日,腾讯WE大会前夕,同行的年轻人问了他一个问题:

您认为应该如何成为一名杰出的科学家?

我认为有很多种杰出的科学家,也有很多可以变得杰出的方式。我要给你举一些理论家的例子。

下面是他的回答:

 

我有个很好的朋友叫弗里茨·兹威基。兹威基构想出了中子星的概念;兹威基推测中子星诞生于超新星爆发;兹威基查看了观测数据,并且猜测存在暗物质。兹威基并不擅长真正的计算,他的这些成就都基于对于物理的直觉。他认为自己是一名伟大的理论家。但是我读过他的技术文章,大部分都讲不通。他有一篇关于中子星理论的文章,其实是错的。与此同时,罗伯特·奥本海默和他的学生写了一系列这方面的文章,工作做得非常漂亮。但是中子星的概念是兹威基提出来的,而不是奥本海默,因为兹威基对物理学很强的直觉。

弗里茨·兹威基(图据维基百科)

 

我还有一个很好的朋友,印度裔天体物理学家钱德拉塞卡。钱德拉塞卡没有物理学的直觉,但是他的数学功底令人惊叹。使用基本的数学,他就获得了科学发现。但是他并不知道科学发现正在向自己靠近,他无法提前猜测到结果。他做出了重大的发现,获得了诺贝尔奖。他的头脑和兹威基的就完全相反。

苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(图据维基百科)

 

斯蒂芬·霍金在他职业生涯的前10年中,都在做高度数学化的相对论方面的工作,做很多美妙的数学变换。当他(因为疾病)不再能控制自己的双手后,他无法再像之前一样做数学推导了。于是他发展了一种在大脑中进行几何与拓扑变换的能力,创造出曲线、平面等等的直观图像。他的这项能力非常出色,以至于他获得与几何、拓扑相关的物理学发现比其他任何人都更快更深入。在失去了对手的控制能力后,他的大脑彻底改变了。

斯蒂芬·霍金(图据维基百科)

 

所以,你看看这些例子。我想说,要做出伟大的理论,有很多不同的方式;问题在于找到适合你的那一种。

基普·S·索恩Kip Stephen Thorne

◆ 十三岁时我在书店一本畅销书上读到了相对论,这本书的作者George Gamow是一位物理学家和天文学家,从此我就爱上了这个课题。

◆ 所以我也想用相同的办法影响下一代青年人,写《黑洞与时间弯曲》这样的书,制作《星际穿越》这样的电影,去启发年轻人学习科学。

——基普·S·索恩

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