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张风雷ZhangFenglei 江苏省镇江市人。男,生于1967年6月。祖籍江苏丹徒。大学本科文化。代表作《张斋夜谭》(上下册,台海出版社)。

为何又是美国人发现了引力波  

2016-02-14 09:24:51|  分类: 教学参考资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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为何又是美国人发现了引力波
    引力波被探测到,是天体物理学界近年来最重要的一项发现,收获这项成果的是美国LIGO项目。美国人获得重大科研成果自然不奇怪,但这是一个耗资巨大的项目,美国科学家是如何说服公众花这么多纳税人的钱,去观察十亿光年之外、与人们生活毫无关系的黑洞融合所发射出的引力波的?
    发现引力波是人类的骄傲,但需要指出的是美国人收获了果实
    作为公众最感兴趣的科学领域之一,天文学上的重大发现,往往是媒体上科学类新闻的“流量担当”。去年就有好几个天文学重大事件引起了全世界人们的兴趣,包括发现1400光年外的“另一个地球”、“新视野号”抵达冥王星、以及NASA确认火星上有液态水等等。不过这些发现都及不上这次“探测到引力波”来得让业界震撼,不仅证实了伟人爱因斯坦百年前关于引力波的预言,确认了双黑洞碰撞这一模型,还为天文观测带来了新方法,开启了新纪元。尽管探测到的信号确实只有几个波形,但通过可视化的多媒体演示手段,已足够让普通人模糊地了解到引力波和黑洞碰撞是怎么回事,不少人也为此感到兴奋。
    这一成就毫无疑问是人类的骄傲。但不得不承认的是,这次成果表明,在探测引力波竞赛上,还是美国人拔得了头筹——探测到引力波的两个LIGO项目装置都位于美国,主导这一项目的科学家也都是美国人。尽管现在科学界很强调国际合作,包括LIGO项目也是如此,但毕竟此前其他国家还是有“野心”的,比如中国的“天琴计划”,此前就有报道说这一项目希望能够率先发现引力波。
    而如今,既然是LIGO拔得了头筹,荣耀自然就主要归于美国人。在项目资助方美国自然科学基金会组织的新闻发布会上,LIGO项目团队一开场就大力感谢美国政府、国会、纳税人以及资助单位,并骄傲地说出“这就是科学,我们不挑容易的事做。”毫无疑问,这次发现引力波成为了美国基础研究的一项重大成果。
    从媒体报道规格来看也是如此,CNN、纽约时报等主要媒体都在显著位置报道了这次的成就,并配发了很漂亮的多媒体演示以及科学界的评论。《纽约客》这种高端人文杂志也迅速发表了早已准备好的、关于项目核心团队的长篇报道。而中国媒体虽然也很重视这一成就,但采访到的科学家相对边缘,更多的是编译国外媒体的内容。中国网友们尽管对此也不乏兴趣,但相比之下,似乎更关注“杨振宁携夫人逛庙会”这条新闻。
    美国人在基础研究上往往有重大突破,与保持了公众对科研的兴趣有很大关系
    有了重大成就当然应该好好宣传,这点当然不错。但宣传的动力不止是来自媒体,很大程度上,动力来源于美国科学界自身。美国科学界非常重视与公众的互动,注重保持公众对科学研究特别是基础研究的兴趣。
    这次LIGO发现引力波,不得不提的一个人物是基普·索恩,他是主导这一项目的天体物理学家之一,凭这次成果已成为诺贝尔奖热门候选人。他在前年已经被公众舆论大大关注了一次,因为他在热门电影《星际穿越》担任科学顾问,电影中展示的雄起瑰丽的黑洞、虫洞,主要就来源于索恩的设想。作为一名重要的物理学大师,索恩的重要特点就在于,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。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。
    在国内物理学者尹璋琦看来,索恩之所以一直与美国科普以及科幻界保持密切的联系,某种程度上也是为了公共宣传,树立正面的形象,从而给LIGO项目筹集所需的资金。索恩通过与科幻电影的深度合作,把相关的科学概念无缝植入了电影等媒介中,润物细无声的影响了公众,为LIGO项目持续获得充足的资金资助做出了重要的贡献。
    索恩的努力也给科学界带来了很大激励,LIGO项目的执行总监雷兹此前曾经表示,“没有索恩,就不会存在LIGO项目”,“这个项目是索恩视野、激情和推动力的明证。他有这个能力让整个科学共同体相信发现引力波不仅是存在可能性,而且是可以达成的”。LIGO项目的另一个主导科学家韦斯则表示,索恩在1990年从国家自然科学基金会获得全尺寸的探测器的支持发挥了关键的作用,而这是美国自然科学基金会资助力度最大的一个项目。
    电影《星际穿越》上映之后,索恩出了一本《星际穿越中的科学》。从这本书中我们就可以看出索恩是如何趁机维持公众对科研项目的兴趣了,他在书里介绍了引力波,介绍了LIGO项目,并且特意提到,这一用于“理解宇宙”的项目,主要是用来自纳税人的钱资助的。显然这种方式会有助于提升公众对项目的支持程度。
    索恩对科幻小说、电影的兴趣也并不完全是功利性的,他相信这种做法也有助于带来更多科学上的想法。在帮助《接触》(科普专家卡尔萨根的小说,后改编为电影《超时空接触》)创作的过程中,索恩提出了关于利用“虫洞”进行时间旅行的设想,使得一些科学人士开始思考虫洞作为时空旅行手段的可能性。换句话说,一本小说,在科学研究上促成了一个重要的新方向。
    基础研究有很大意义,并不是对公众的“忽悠”
    科学家利用宣传,促成国家资金和公众兴趣投入到基础研究上,自然对科研是有好处的。但对公众利益来说,确实是好事吗?这是一个长久以来的疑问。经常有人会说,如果这些基础研究不能带来更快的汽车和更好用的电器,又有什么意义呢?
    且不谈“认识宇宙”在哲学、美学方面的意义,纯粹以功利的角度看,这些疑问也是不成立的。美国西北大学的Heidi Schellman教授曾经做过一个比喻:一个人突然想去攀登珠穆朗玛峰,这件事本身确实不会直接对其他人的生活产生影响。但是,抓绒衣和防水材料一开始却是为专业的登山者发明,并逐渐降低价格而被广泛使用的。
    事实上,一位来自国内的LIGO项目参与者就感慨,这个项目付出了研究人员们很多的心血,做出了很多成就,印证爱因斯坦的理论只是一方面,还带动了激光,材料,光学,工程,计算机等诸多学科前沿的发展。很多LIGO的技术将对或者已经对半导体制造,能源,材料,大数据等实用领域产生深远影响。虽然项目已经累计花了6亿2千万美元,但这个投入是完全值得的。
    而在美国、欧洲很多科学家和普通公众看来,就算没有这些附带的应用成果,这些涉及认识宇宙、认识世界运行法则的研究,也是值得不计成本大力投入的。这种理想主义的理念很值得我们思考。
    中国科研基础研究投入比例过低,改变现状需激发出公众兴趣
    相比之下,中国科研投入虽然体量很大,但却存在基础研究投入相对不足的问题。以太空方面的投入为例,像神舟、天宫、嫦娥等项目,整体上还是偏应用的,像美欧那种动辄投入几亿、十几亿美元、欧元就上马一个探测引力波项目(LIGO计划、LISA计划)、探测彗星认识太阳系起源(“罗塞塔碑”计划),中国还很少见。高能物理方面,目前面临北京正负电子对撞机(BEPC)要准备退役的问题,这已经是30多年前建的对撞机,目前还没有替代者。去年在深圳大亚湾取得重大突破的中微子项目,首席科学家王贻芳承认,功劳很大程度上要归于“好运气”,与其他国家的同类项目对比,中国的投入要低很多,未来不宜以大亚湾中微子实验为标准来要求别的实验,他认为,“想要高产出,还是要有高投入。”
    从资金统计上可以确证中国科研基础研究投入比例确实很低。相关数据统计,2006年~2012年,我国全社会研发(R&D)经费总支出从3003.1亿元增加到10298.4亿元,以年均22.7%的幅度快速增长。全社会基础研究经费总支出从155.8亿元增加到498.8亿元,年均增长21.1%。两项支出的增长率保持相对同步,基础研究的增长速度甚至比其他类型的研究还要低一些,这导致基础研究的支出比例始终在5%以下,而国际主要创新型国家的这一指标大多在15%~30%左右。
    不妨拿欧盟作对比。欧盟此前公布了“欧盟地平线2020”科研与创新规划提案(2014~2020),其中,基础研究预算为244亿欧元,用于提高欧洲基础研究水平,支持在具有前景的研究新领域开展研究和创新合作,确保欧盟具有开放的世界级科研基础设施,而有关应用技术的预算才为170亿欧元,可见欧盟对于基础研究的重视。
    改变现状,激发公众兴趣是很重要的一点。如果公众对科研项目有很大兴趣,那么项目的资助方兴趣就会提升,像欧美国家不仅有政府支持,还有企业以及各种私人基金如盖茨基金会等的支持,而我国则主要是政府在出钱。而提升公众兴趣,就需要我国的科学家像索恩那样,重视宣传,重视与公众沟通,参与公众容易感兴趣的科普项目甚至科幻小说、电影等等。而目前我国科学家在这方面还差得很远。

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