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在肯尼迪看来，他的电极技术一旦成功，在未来就并不仅仅是可以帮助闭锁患者这么简单了，这项技术最终将推动人类走向人机一体和意念控制的未来。于是，已经年届七十的他决定，拿自己的大脑开刀，做一次大胆的冒险尝试…… （提示：下文中有些图片可能会造成某些人的感官不适，请慎重考虑是否阅读）文/Daniel Engber 译/土豆同学、小鱼、Xaviera、郭斯塔、鹊踏枝、blue sun 校对/小赵、凤梨原文/www.wired.com/2016/01/phil-kennedy-mind-control-computer/ 脑部手术持续了十一个半小时，从 2014年6月21日下午时分开始，延续到加勒比海地区第二天的黎明。下午，麻醉作用渐渐消退，神经外科医生走进病房，摘下他的金属框眼镜，举着它，以提问的方式来检查这位缠满绷带的患者。”这是什么？”他问道。菲尔·肯尼迪凝视着眼镜看了一会儿，他的视线飘到天花板，又落到电视。”呃……呃……眼……眼……”他结结巴巴，”……眼……眼……眼……”“没事，慢慢来，”外科医生乔尔·塞万提斯尽可能用他最平静的声音，说出这些话来使患者保持冷静。肯尼迪再一次尝试做出回应。仿佛他在努力迫使他的大脑工作，就像一个喉咙痛的人吃力地吞咽食物。与此同时，外科医生的脑子里一直盘旋着同样不安的想法：”我不应该做这个手术。” 几天前，肯尼迪到达伯利兹机场，当时的他还是个头脑清晰、一丝不苟的66岁电视医生（TV doctor），看起来严谨且权威。他没有什么疾病，医疗上也不需要塞万提斯打开他的头骨。但肯迪尼却想要做一场脑部手术，并且愿意为之支付三万美金。菲尔·肯尼迪肯尼迪曾是一位著名的神经学家。在二十世纪九十年代后期，他因为将几根电极嵌入瘫痪患者的大脑并教会患者用思想控制电脑的光标这一壮举而登上新闻头条。肯尼迪称这位病人为世界上的“第一位半机械人”，新闻界将他誉为史上第一个通过人脑-电脑界面（brain-computer interface）进行沟通的人。从那时起，肯尼迪的一生都致力于建立更多、更好的半机械人，并努力开发一种能使人类的思想完全数字化的方法。到了2014年的夏天，肯尼迪坚信只有身体力行，才能推动自己的项目前行。为了他的下一个突破，他打算对一个健全人的大脑下手，也就是他自己的大脑。因此肯尼迪前往伯利兹进行手术之旅。一位当地的橘农兼前夜总会老板，保罗·鲍顿，负责管理肯尼迪手术的后勤工作，塞万提斯——伯利兹第一个本土生长的神经外科医生——为手术主刀。鲍顿和塞万提斯同为“生活质量外科诊所”的创始人，拥有一个医学团队，专门治疗慢性疼痛、脊柱病症，现在还特别提供腹部整形、鼻子整形手术、男性胸部修整手术以及其他增强手术。 “我想我们已经毁了他的余生，”鲍顿说，”我当时这样想，我们到底是做了什么？” 肯尼迪聘请塞万提斯来执行第一道程序——在大脑的表面嵌入一组玻璃与金丝混合的电极——这一步看起来进行地很顺利。在手术的过程中没有太多的出血，但他康复的过程却是问题重重。两天待在室内，肯尼迪坐在他的床上时，突然，下颚开始打颤且发出咔哒咔哒的声音，他的一只手开始晃抖。鲍顿担心这癫痫会嗑碎肯尼迪的牙齿。他的语言问题也同样存在。”他说的话不再有逻辑了，”鲍顿这样说，”他一直在道歉，‘对不起，对不起，’因为他已经说不出其他的话。”肯尼迪仍然能够表达音节和一些分散的单词，但他似乎已经无法再将它们组成短语和句子了。当肯尼迪抓起一只笔，试图写下些信息时，写出来的却也是潦草无章的字母。起初，鲍顿被肯尼迪那印第安纳·琼斯式的科学研究方式所折服：他来到伯利兹，打破研究的标准规则，赌上自己的心智。然而，现在他在这里，显然已经寸步难行了。“我想我们已经毁了他的余生，”鲍顿说，”我当时这样想，我们到底是做了什么？”【印第安那·琼斯是斯皮尔伯格导演的电影《夺宝奇兵》里面的主角，是一所大学历史系的教授，很喜欢冒险，身手矫健，聪明细心。】当然，这位美籍爱尔兰裔医生（指肯尼迪）比起鲍顿和塞万提斯更清楚其中的风险。毕竟是肯尼迪发明了那些玻璃与金线混合的电极，并且目睹了医生将其植入好几个患者的大脑中。所以，根本问题并不是鲍顿和塞万提斯曾对肯尼迪做了什么——而是肯尼迪对自己做了什么。西班牙的神经学家荷塞·德尔加多差不多就在当年电脑出现的同时，就有人开始努力找出一个方法来用我们的思想控制电脑。在1963年，一位牛津大学的科学家在他的研究报告里说，他已经想出如何使用人类脑电波控制简单幻灯片投影仪的方法。大约在同一时候，一位耶鲁大学的西班牙的神经学家，荷塞·德尔加多登上了各大媒体头条，这源于他在西班牙科尔多瓦斗牛场进行的一场盛大的演示。德尔加多发明了他称为“颅内刺激接收器”的设备——此设备植入大脑，由无线电控制，可以用来采集神经信号以及传递到大脑皮层的微小刺激。当德尔加多走进斗牛场，他晃动红斗篷来煽动牛的情绪。当这只动物靠近时，德尔加多按下他的无线广播发射器的两个按钮：第一个按钮刺激公牛的尾状核（基底神经节的主要组成部分），使它动作变得缓慢最后停止；第二个按钮会使它转身并且向一堵墙跑去。被植入“颅内刺激接收器”的斗牛，德尔加多按下他的无线广播发射器的两个按钮：第一个按钮刺激公牛的尾状核（基底神经节的主要组成部分），使它动作变得缓慢最后停止；第二个按钮会使它转身并且向一堵墙跑去。德尔加多梦想着使用他的电极能直接进入人类的思想：读取它们，修改它们，改善它们。在他尝试将植入物应用在精神病人身上之后，他于1970年在《纽约时报》上这样说道：”人类正处于进化的一个转折点。我们很快就要拥有强大的力量去构建我们自己的心理功能。只是问题是，我们理想中想要创造的，是什么样的人？” 德尔加多的研究工作让很多人感到不安，这并不令人意外。并且在接下来的几年里，他的计划项目渐渐衰退，饱受争议，缺乏研究资金，而且大脑的复杂性更令他举步维艰。德尔加多原以为大脑可以通过简单的热线控制，但其实根本不是。与此同时，科学家们的计划则比较保守——继续将电线放入实验动物们的头中，他们只想破译大脑信号，而非通过神经元探得文明的奥秘。到了上个世纪80年代，神经学家们已经发现，如果你使用植入物来记录来自一只猴子大脑运动皮层中细胞组的信号，接着对全部的放电信号取平均值，你就可以知道猴子打算往哪边挪动它的四肢——这个发现被公认是开发病人脑控假肢的第一个重要步骤。到了上个世纪80年代，神经学家们已经发现，如果你使用植入物来记录来自一只猴子大脑运动皮层中细胞组的信号，接着对全部的放电信号取平均值，你就可以知道猴子打算往哪边挪动它的四肢但被用于这项调查的传统大脑电极植入物有个主要的缺点：他们接收的信号出了名的不稳定。因为大脑是一个胶状的介质，有时当细胞被植入物记录，或因被金属尖利的一角碰伤而死掉时，细胞会游离出固定范围。最终电极会黏在疤痕组织上，导致它们的信号完全消失。菲尔·肯尼迪的突破最初就是为了解决这个生物工程的基本问题，这项突破可谓确立了他在神经科学领域的职业生涯，也最终使他走向了伯利兹的手术台。他的主意就是将取出的大脑神经放入电极中，以便电极能够安全地被固定在大脑内。为此，他将一些聚四氟乙烯包覆的金属线的尖端粘到一个空玻璃锥的内部。在这狭小的空间里，他插入另一个重要的部件：薄薄的一片坐骨神经。这少许的生物材料有助于使周围的神经组织更充实，诱使原细胞向圆锥里伸展。肯尼迪不是将裸露的电极植入大脑，而是慢慢诱导神经细胞在植入物周围长出卷须覆盖，将其固定住，就如同被常春藤缠绕的棚架一样（对人类受试者，他用一种已知能刺激神经生长的化学混合物代替了坐骨神经）。菲尔·肯尼迪将一些聚四氟乙烯包覆的金属线的尖端粘到一个空玻璃锥的内部。在这狭小的空间里，他插入另一个重要的部件：薄薄的一片坐骨神经。玻璃锥的设计似乎提供了一种不可思议的好处。现在，研究人员们可以长时间地把他们的电线留在原位。他们能够收听到大脑电颤振在人毕生时间里传出的音轨，而不是单次实验时捕捉大脑活动的一个个小片段。肯尼迪的“亲神经电极”，在1996年，经过数年的动物测试，神经信号公司得到美国食品药品管理局的批准，将肯尼迪的锥电极植入人类患者脑内，为那些无法走动或说话又没有其他途径治疗的人提供一条可能的生命线。肯尼迪将他的发明命名为亲神经电极。他在发明了这个之后不久，就辞去了在佐治亚理工学院的学术职位，并且创立了一家名为”神经信号”的生物科技公司。在1996年，经过数年的动物测试，神经信号公司得到美国食品药品管理局的批准，将肯尼迪的锥电极植入人类患者脑内，为那些无法走动或说话又没有其他途径治疗的人提供一条可能的生命线。并且在1998年，肯尼迪和他的医疗合作者，埃默里大学的神经外科医生罗伊·巴凯，接纳了会使他们成为科学名人的病人。约翰尼·雷是一位52岁的石膏板承包人和越战退役老兵，大脑曾经中风过。损伤使他不得不依赖呼吸机，全身瘫痪在床上，面部和肩膀处有轻微颤搐。他只能通过眨眼两次代表”是”，一次代表”不是”，来回答一些简单的问题。由于雷的大脑没有办法让大脑信号传到他的肌肉，肯尼迪努力截取雷的脑部信号帮助他的大脑和肢体进行沟通。肯尼迪和巴凯将电极放入雷大脑的主要运动皮层里，该皮层控制肢体基本的自发运动（第一次时他们把雷放入磁共振成像机，并让他想象在移动自己的手，从而发现了一个最佳作用点，也就是功能磁共振成像中最亮的点。接着他们将植入物放入那个点）。锥一固定住，肯尼迪就将它们连接到一个植入在雷头骨顶端的无线电发射器上，就在头皮下。肯尼迪和雷一周合作三次，竭力解译他运动皮层传来的脑电波并将其转化成了行动。随着时间的不断流逝，雷学会了仅通过思考来调制从其植入物发出的信号。当肯尼迪将他连入电脑时，他能使用这些调制方式来控制屏幕上的光标（尽管只是沿着一条线从左到右）。之后他能通过抽动肩膀来点击鼠标。通过这个动作，雷能从屏幕键盘上选出字母并非常缓慢地拼出单词。 “这正是技术的最前沿，简直有点异想天开，”巴凯在1998年10月这样告诉一群神经外科医生同行。几周之后，肯尼迪在神经科学学会的年会上报告他们的研究结果。这已足以让约翰尼·雷的惊人故事——昔日行动受限，今日能靠意念打字——得到全国和全世界报纸的报道。那年12月，肯尼迪和巴凯作客电视节目《早安美国》。在1999年1月。关于他们实验的新闻出现在了《华盛顿邮报》上。那篇文章的开头这样写道，”菲利普·R·肯尼迪，一位医生兼发明家，使一个瘫痪的人能用思想来操作电脑。一个历史性时刻很可能正在这间病房里展开，肯尼迪也许将成为第二个亚历山大·格拉罕姆·贝尔。”（这个贝尔就是贝尔电话公司的那个贝尔）在他和约翰尼·雷合作成功后，肯尼迪似乎正走向一项宏伟的事业。但是，在1999年和2002年，当他和巴凯将植入物植入两个闭锁综合征患者的大脑中时，两例都失败了（一个病人的切口没有闭合，植入物必须被移除；另一患者的疾病迅速恶化，导致肯尼迪对神经系统的记录徒劳无功）。更令人绝望的是，雷在2002年死于脑部动脉瘤。与此同时，其他实验室关于大脑控制假肢的研究取得了进展，但是他们使用的是不同的设备——通常是几平方毫米的小贴片，和数十根可以延伸到大脑的裸线。而在微神经植入物的研究领域中，肯尼迪的玻璃锥电极却逐渐变得像Betamax录像制式一样，可行，有发展前景，最终却没有得到广泛应用。【译者注：Betamax是由日本Sony公司研制开发供盒式录像机系统使用的一种磁带格式。】 2003年，在亚利桑那州大学的实验室，研究人员把将一套植入物置入一个猴子体内，使它能够操作一个机械手臂喂自己一瓣橙子。肯尼迪与其他的科学家对脑机界面研究的区别并不只是硬件方面。他的大部分同事都专注研究单一类型的神经控制假肢项目，这是美国国防部愿意通过国防高等研究局资助的项目。具体内容即研发一个将帮助患者（或退伍的老兵）使用假肢的植入物。2003年，在亚利桑那州大学的实验室，研究人员把将一套植入物置入一个猴子体内，使它能够操作一个机械手臂喂自己一瓣橙子。几年后，布朗大学的研究人员报告称他们研究的两个瘫痪病人已经学会使用这些装置来控制机械手臂大口喝瓶子里的咖啡。但是肯尼迪对机械手臂的兴趣远远小于对说话的兴趣。之前雷成功用意念移动光标，说明闭锁综合征患者可以通过一台计算机分享他们的思想，即使这些想法的变化像沥青滴落的速度一样缓慢，甚至一分钟只有三个字符。那么如果肯尼迪真的能做出一个脑机界面可以像健康人一样说话呢？在许多方面，肯尼迪都承担着更大的挑战。人类发声比任何肢体运动都复杂得多。组织语言在我们看来是一个基本的动作，然而这动作需要协调100多种从横膈膜到舌头和嘴唇等不同部位的肌肉收缩和舒张。要完成一个肯尼迪想象中的那种能发声的假肢，研究人员必须想出如何从极少数电极的输出信号中识别所有口头语言的精确编排。 1998年的爱里克·拉姆齐因此肯尼迪在2004年做了些新的尝试，他把植入物放进一个叫爱里克·拉姆齐的年轻闭锁患者脑内，后者遭受了车祸影响，像约翰尼·雷一样深受脑干中风折磨。这次肯尼迪和巴凯没有把锥电极放在控制手臂和手掌的运动皮层部分，而是把电线向下推到一条像头带一样的沿大脑两侧覆盖的大脑组织带，在这一区域的底部有一块神经元，能发送信号到嘴唇、下巴、舌头和喉部的肌肉。就是在那里，拉姆齐被植入锥电极，并且离头皮表层有6毫米深。通过使用这个装置，肯尼迪教拉姆齐用合成器发出简单的元音。但是肯尼迪不知道怎样去探知拉姆齐的感受，他脑内是什么情况。拉姆齐可以通过眼球的上下移动来表明是或否，但因为拉姆齐有眼疾，这个方法也不能持续。对肯尼迪来说，他没有办法来证明他语言实验的可行性。于是他在拉姆齐在脑海里组织语言的时候，记录下拉姆齐大脑的信号——可是当然肯尼迪没有办法知道拉姆齐是否真的默默想了这些话。爱里克·拉姆齐遭受了车祸影响，像约翰尼·雷一样深受脑干中风折磨拉姆齐的健康状况恶化，正像他脑中的植入装置也一样没有进展。随着岁月的流逝，肯尼迪的研究计划也连连碰壁：他不再得到资助，于是他只好遣散了他的工程师和实验室技术人员；他的合作伙伴巴凯去世了。现在肯尼迪只好单独工作或者雇佣临时人员帮忙（他仍然在他的神经内科诊所上班，治疗患者）。他确信如果他能找到另一位病人，他会再一次实现突破——理想的情况是有个人，至少一开始，可以大声说话。如果能在类似肌萎缩性侧索硬化症（ALS）等的神经退化性疾病的早期患者脑内做测试，他将有机会在患者说话的时候记录神经元发出的信号。这样一来，他就能弄清每个特定的声音和神经信号之间的联系。他将会有时间来训练他的语言假体——能解码大脑活动的精细算法。但是在肯尼迪找到他的ALS病人之前，FDA撤销了他植入物的合法资格。在新规定下，肯尼迪必须证明这些植入物是无菌、安全的，才能继续在人体上试验——这些证明需要一大笔资金，显然他没有能力支付，因而他说他相当于被禁止在病人身上做实验。但是肯尼迪没有失去信心，可以说，他反而信心满满了。在2012年秋天，他自费出版了一本名为《2051》的科幻小说，这本书讲述了阿尔法的故事，这是一个像肯尼迪一样出生于爱尔兰的神经电极研究先驱，活到了107岁，是自己技术的倡导者和活标本：他将自己的大脑装进0.6米高的生命维持机器人里。这本小说勾画了肯尼迪梦想的轮廓：他的电极技术并不仅仅是帮助闭锁患者来沟通的工具，更将推动人类走向金壳其外、思想其中，机能增强和意念控制的未来。在出版他的小说时，肯尼迪知道了下一步要做的是什么。这位首次在人类患者体内植入了脑机通信接口的人，将会再做一次史无前例的壮举。他没有其他选择了。“大不了，”他想。”我就在自己身上做。” 在伯利兹的手术后几天，鲍顿每天都去肯尼迪休养的宾馆，离加勒比海有一个街区的一幢亮白色别墅。肯尼迪恢复得很不好，他越是努力地想说话，他就越是觉得嘴被锁上了。很明显，美国那边没有一个人会来鲍顿和塞万提斯这里把博士领走。当鲍顿联系到肯尼迪的未婚妻，并告诉她有关的并发症时，她没表现出一点同情心，”我早就试过阻止他，但是他不听，”她说道。然而，在一次特别的拜访中，情况开始好转了。那是炎热的一天，鲍顿给了肯尼迪一杯柠檬汁。当这两个人走到花园里时，肯尼迪仰起头，发出一个轻松而满足的叹息。他啜了一口酒后脱口而出，”感觉很好。” 作为人类豚鼠的研究员 2014年，菲尔·肯尼迪聘请了伯利兹的一位神经外科医生，让医生在他的大脑内植入多个电极，然后在他的头皮下插入一套电子元件。回到家后，肯尼迪进行了为期一个月的实验，用这个系统来记录实验中自己的大脑信号。他的目标是：破解人类言语的神经编码。在那之后，肯尼迪仍然难以找到一些词来描述事物——他可能看着一只铅笔，但却称它为钢笔——但他的流利程度提高了。塞万提斯感觉到他的客户已经恢复一半正常了，于是就让他回家了。他之前对这场手术会毁掉肯尼迪生活的担忧，现在烟消云散了；病人留下的语言能力损失只是一种术后脑部肿胀的症状。只要适当控制，他会好起来的。几天之后，肯尼迪已经回到他的办公室继续坐诊，中美洲的冒险给他留下的最清晰印记，就只有挥之不去的发音问题，和他剃光发、缠着绷带的头，他的头有时用色彩斑斓的伯利兹帽子遮着。在接下来的几个月，在等他头骨中锥电极内的神经元生长时，肯尼迪用抗癫痫药物维持着。但他没有在肯尼迪的大脑皮质里寻找嵌在那里的三个玻璃锥电极。让它们留在原位会更安全，在肯尼迪的余生，它们都将陷在肯尼迪的脑组织中。然后，同年10月，肯尼迪飞回伯利兹进行第二个手术，这次要把一个电力线圈和无线电收发器放进去连接他大脑里伸出的电线。手术很顺利，只是肯尼迪想把一些组件加在他的头皮下，鲍顿和塞万提斯对此感到为难。 “我有点惊讶，它们那么大，”鲍顿说。在他们看来，这些电子组件有点笨重过时。鲍顿在业余时间会捣鼓无人机，因此当有人要把这种老旧的小发明缝进头里时，他感到迷惑：“我想，你没听说过微电子吧，老兄？” 肯尼迪再次从伯利兹回到家后，就马上开始为他伟大的自我实验收集数据了。在感恩节前一周，他进入自己的实验室，在他的头上，平衡了一个磁线圈和接收器。然后，他大声对自己说不同的话时——比如“我想她觉得动物园很有趣”和“工作的喜悦使一个男孩说‘哇’”——同时按下一个按钮，使得他的话和他的神经信号记录同步，就像一个导演用场记板同步图片和声音，如此开始记录自己的大脑活动。在肯尼迪的手术中，医生在他的大脑内植入了多个电极，然后在他的头皮下插入一套电子元件在接下来的七周里，从早上8点到下午3:30他花了大部分时间接待患者，然后利用晚上下班后的时间来观察自我测试的情况。在他的实验笔记中，他把自己列为对象PK，像是为了匿名。他的笔记表明，他在感恩节和圣诞节前夕进入了实验室。实验并没有像他希望那样持续那么久。他头皮上的切口从未完全愈合，无法覆盖里面的大体积的电子组件。在他的头皮被植入组件88天后，肯尼迪又回到了手术台。但这次他没有大费周章去伯利兹：这是一个为维护他的健康而进行的手术，不需要获得美国食品药品管理局的批准，而且可以由他的定期保险支付，所以他没必要出国。 2015年1月13日，当地医生打开了肯尼迪的头皮，剪断了他大脑里伸出的电线，移除了电源线圈和收发器。但他没有在肯尼迪的大脑皮质里寻找嵌在那里的三个玻璃锥电极。让它们留在原位会更安全，在肯尼迪的余生，它们都将陷在肯尼迪的脑组织中。失语是的，直接通过你的脑电波进行交流是有可能的。但它的速度奇慢。其他交流工具工作更快捷。肯尼迪的实验室位于亚特兰大市郊一个枝繁叶茂的商务园区，在一栋黄色木隔板住宅里。挂出的招牌表明套房B就是神经信号实验室的总部。2015年5月的一天，在那儿我见到了肯尼迪，他穿着一件粗花呢夹克衫，系着有蓝色斑点的领带，他的头发整齐地分开，从额头梳到后面，暴露了他左太阳穴的小凹陷。“当他把电子设备放在这里时，”肯尼迪带着轻微的爱尔兰口音说道，“牵开器拉走了我的颞肌分支神经，我不能蹙起眉毛了。”事实上，我注意到，手术给他英俊的脸庞留下了不对称的下垂。肯尼迪同意给我看他在伯利兹第一次手术的录像，录像被保存在一张老式的只读光盘里。即将要看到旁边这个男人暴露出来的大脑，我正在做心理准备，这时他将光盘放进那台还在用Windows 95的台式电脑光驱里。随之而来的是一阵刺耳的噪音，好像有人在慢慢地磨刀。这张光盘加载了很长一段时间——所以我们有足够时间开始谈论他这场备受争议的实验计划。“科学家应该是独立的个体，”他说，“做科学研究不能靠委员会。”他接着准备说美国同样也是由个体而不是各种委员会组成的时候，只听见光驱运作的声音，好像货车行驶在石子路上：咔嚓咔嚓，咔嚓咔嚓。“机器给点力啊！”他说道，并不时用鼠标在屏幕图标上不耐烦地点着，打断了刚才的一连串想法。“哦天呐，我刚刚明明放了光盘啊！” “我认为人们高估了脑外科手术的危险性，”他接着说，“脑外科手术并没有那么难。”咔嚓咔嚓，咔嚓咔嚓，咔嚓咔嚓。“如果你能科学地做某件事，你只管做就是了，不要听那些唱反调的人。” 终于电脑上出现了一个播放视频的窗口，屏幕上出现了一张肯尼迪颅骨的图片，他的头皮被夹子剥开了。光盘驱动的声音被金属触碰到骨头的可怕咯吱声所取代。“哦，他们还在钻我可怜的脑袋，”他一边看着屏幕上进行穿颅术的自己，一边说道。 “帮助ALS患者和闭锁症患者是一回事，但是那不是我们止步的终点，”肯尼迪说，“第一个目标是恢复语言功能。第二个目标是恢复运动功能，很多人正在研究这一点——这个目标终将会实现的，他们只是需要更好的电极。第三个目标便是加强正常人的身体机能。” 他点了快进，让我们看他的大脑暴露出来的部分——一片白花花的组织上布满了蜿蜒的血管。塞万提斯拔下了一根电极插进肯尼迪胶状的神经里，开始用力拉电线。一只戴着蓝手套的手不时停下来用明胶海绵轻擦他的大脑皮层来止血。 “你的大脑会比我们现在所认知的拥有远远更大的力量，”肯尼迪继续说道，此时屏幕上他的大脑正在有规律地搏动着。“我们将大脑提取出来，将其连接上能为我们做很多事的小型计算机，大脑会继续存活着。” “对此你感到激动吗？”我问。 “啧，当然啊，我的天哪”，他说，“我们就是这样进化的。” 我坐在肯尼迪的办公室里，盯着他的旧电脑显示屏，有些不敢苟同他的说法。因为看起来，即使科技水平日益提高，但科技好像总能有新的或者更好的方式来让我们失望。我的智能手机能在我手指粗心的滑行输入下打出单词和句子，但是它出现错误时我还是会骂它一句（我靠，都怪自动纠错！）。我知道，现在的科技远远好过肯尼迪这台颤颤巍巍的旧电脑和他笨重的电子组件，我的新谷歌Nexus5手机马上要到手了。但是人们真的会放心将自己的大脑交给科技吗？在屏幕上，塞万提斯将另一根电线刺穿肯尼迪的大脑皮层。我们第一次看这个录像的时候，肯尼迪对我说，“他是一个非常优秀的外科医生，事实上，他的确有一双妙手。”但是现在他偏离了我们对进化论的讨论，开始冲着屏幕喊叫着，就像一个在电视机前看比赛的球迷。肯尼迪对屏幕上正为他大脑做手术的那双手喊道，“不，别那么做，不要把它挑起来，”他对我解释着，“不应该以那个角度进去，”然后又转向电脑，“还要更往里推一点啊！”紧接着他又说，“好了，够了，够了。不要再推了！” 菲尔·肯尼迪的电极的尖端有一个微小的玻璃锥。图片提供：丹·温特斯如今，侵入式的大脑植入物已经过时了。神经假体研究的主要资助者更赞成一种放置平板电极格栅的方法，将8x8或是16x16的格栅，覆在大脑裸露的表面。这种方法，叫做脑皮层电流描记法，或称为ECoG。它提供了一种比肯尼迪的更清晰、更令人印象深刻的方法：不是聆听单个神经元发出的声音（信号），而是在一个更宏观的层面上——或者我想应该是，聆听所有的，一次成百上千个神经元的合唱。 ECoG的支持者认为这些协同的痕迹可以为计算机传递足够的信息解译大脑的意图——甚至是一个人将要说的单词和音节。一些被污染的数据也许会变成一个好处：当需要神经元的交响乐团一起演奏，才能振动你的声带，移动嘴唇和舌头时，你就不想只依赖其中一个不靠谱的小提琴家。ECoG栅格还可以在颅骨下安全地放置很长一段时间，也许比肯尼迪的圆锥电极时间更长。“我们不知道极限到底在哪里，但是至少能过长达数年或者数十年，”爱德华·张说道。这位来自美国旧金山的外科医生和神经生理学家是该领域的领军人物，如今致力于自己的语言假体技术。去年夏天，正当肯尼迪忙于为2015年神经科学学会会议收集展示资料期间，另一家实验室发布了一个新的技术，通过这种技术，科学家就能通过电脑以及埋在头盖骨下的植入装置，解码人类的语音。这种技术被称为“脑转文字”，由纽约沃兹沃思中心，奥尔巴尼医学中心以及一群德国研究人员共同开发，并已在七位植入有ECoG网格的癫痫病人身上进行了试验。他们对每一名受试对象提出要求——大声朗读葛底斯堡演说的选段，《矮胖子的故事》，约翰·F·肯尼迪的就职演讲，以及电视剧《圣女魔咒》的同人小说中某一个不包含人名的部分——研究人员记录下了他们在此期间的神经数据。之后，研究人员利用它们来训练神经数据转语音的软件，并将输出的语音录入一个具有预测功能的语言模型中——一种有些类似于手机上语音转文字引擎的软件——它就能通过给出的上文猜出即将说出的下文。不可思议的是，这套系统倒还真管用了。电脑屏幕上一节一节地显示出了《矮胖子的故事》，《圣女魔咒》同人小说以及其余的文段，正确率还挺过得去。“我们找到方法了，”一位ECoG的专家兼研究合作者格文·沙尔克表示，“在我们手下，它可以重建那些口语文本了，这正确率可不是电脑瞎猜出来的。”早期的语言假体术已经能够从大脑中识别单独的元音和辅音；而现在，但沙尔克的团队已经做到将大脑活动转换成完整的口语句子，虽然其过程艰难，并且错误多多。不过，沙尔克也承认，这最多只能证明设想的可行性。他表示，想要让每一个人都能对着电脑发送完整成型的意念，甚至于让人肯定它的使用价值，都还有很长的路要走。想想那些已经面世几十载的语音识别软件，沙尔克说道，“1980年左右，语音识别的正确率大概有百分之八十，要知道百分之80在工程上已经是很斐然的成绩了。但这在现实生活中依然不顶用，”他说，”Siri我还是不用的，它还不够好用。” 与此同时，我们有着简单得多，也有用得多的方法，来帮助交流不便的人。如果病人手指能动，他就能用摩尔斯电码打出想说的话。如果病人眼睛能动，她就可以用智能手机上的眼球追踪软件。“这些设备都相当便宜，”沙尔克表示，”你是愿意用这些，还是愿意花10万美元在脑子里植入一个正确率只比瞎蒙高一点儿的装置？” 我试着把这个想法和近些年媒体上出现的，那些靠机器生活的人所展示的奇妙行为放在一起——有人用机器手喝咖啡，有人在伯利兹给大脑做植入。未来似乎总是近在咫尺，就像半个世纪前何塞·德尔加多走进斗牛场时一样。在不久的未来，我们的人脑都会受电脑的统治；不久的未来，我们的思维和情感都将会被上传到网上；不久的未来，我们的精神净土将会被暴露在众人的目光下，经受所有的挖掘和分享。我们已经能够窥探这个可怕又惊人的世界的轮廓——但我们越是靠近，它却越是远离。肯尼迪，已经受够了人类进步的芝诺悖论，他厌倦了老是在追赶未来却永远追不上。因此，他坚定地向前迈了一大步：让我们所有人都准备好迎接那个他所描写的2051年的世界，那个德尔加多相信马上就要到来的世界。【译者注：芝诺悖论：“一个人从A点走到B点，要先走完路程的1/2，再走完剩下总路程的1/2，再走完剩下的1/2……”如此循环下去，永远不能到终点。】当肯尼迪最终将他从自己身上得来的数据公之于众时——先是在去年五月的艾默里大学研讨会上，接着在十月的神经科学学会会议上——他的部分同事姑且还是持支持态度的。面临巨大风险，独自研究，穷困潦倒，肯尼迪成功地创造了他独具一格的大脑语言记录，张说道：“不论它里面最终是否拥有语言假体的秘诀，这些数据都是非常珍贵的。它们简直意义非凡。”对于其他同事，虽然他们仍有些困惑，但这个事情实在令他们深受触动：这个他们相识多年并喜爱有加的人，在世俗道德的边界，走出了无比英勇又令人始料未及的一步，仅凭一己之力，强行将大脑研究推到了曾经不可追的未来。而其他的科学家除了惊讶，就是惊讶了。“有人觉得我很勇敢，有人觉得我很疯狂，”肯尼迪说道。在乔治亚州，我问肯尼迪他是否想过再做一次这个实验。“对我自己做吗？”他说，“不。我不应该再这么做了。我是说，不能再在脑袋同一侧做了。”他敲了敲太阳穴，那个锥电极还依然埋在里面。后来，似乎受到了在另一边脑袋植入的想法启发，他开始计划制作新的电极和更精密的植入器，这是为了重新得到美国食品药品管理局对他工作的许可；也是为了挣实验生活一切所需的补助金。 “不，另一边我也不应该做了，”他最后说道，“不管怎样，我现在没有电子产品来做这些。等我们造好了机器再来问我吧。”这就是我从肯尼迪身上学到的东西，也是从他胡乱的回答中学到的东西：人无法一直规划未来，尤其是未来还不明朗的时候。有时，需要先自己打造一个未来。

100年前，当爱因斯坦预测引力波的存在的时候，他不曾想过，有朝一日，人类能够真正观测到应力波：这个效应是如此的微弱，无法察觉。今天，2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: 我们真的探测到引力波! 相关论文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题，在Physical Review Letters上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。知社学术圈特邀请论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授，和中国引力波专家、湖北第二师范学院范锡龙博士，撰文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历，和一些鲜为人知的花絮，从300年前的引力，100年前相对论，一直讲到今天的引力波。爱因斯坦都不敢想象，我们真的探测到引力波！陈雁北（右）和范锡龙（左） 1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。因为引力波的效果极其微弱，100年前的爱因斯坦认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。50年以前，实验物理学家Joe Weber勇敢的开拓了引力波探测的先河。40年前，天文学家Hulse和Taylor发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在。25年前，物理学家Drever, Thorne和Weiss在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)。今天，美国的LIGO和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件(GW150914)中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离的接触”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物体，不再躲在高温磁化的等离子体后面，也不再稳稳的坐在星系中央。这次，我们实实在在的观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。引力引力是无处不在的。它主导了天，让宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化；它主导了地，让我们生活的地球分成了各个圈层，让苹果落地，让人类羡慕鸟类飞翔，让日出日落，山川秀丽。可是，引力虽然无处不在，它却低调而又卓尔不群，以至于我们经常会忽略它：我们生活中的五颜六色、酸甜苦辣，都是由电磁相互作用所产生的。而到目前为止，在微观上，引力还是和其他基本相互作用不能融合！引力是人类最早定量认识的相互作用，让人类从无知走向科学。在17世纪，伽里略的斜塔实验就通过运动学证明了引力对众生平等，也就是等效原理-- 不同材质的物体下落加速度一致。1687年，牛顿创建了万有引力定律，并且发明微积分的数学方法对行星的运动进行精确的描述。后人用牛顿的理论发现了海王星和冥王星。虽然水星近日点的进动一直和牛顿预言闹一点非常微小的矛盾，但是貌似引力的终极理论就此完成。在牛顿发现引力之后的几百年，物理学的进展更多的是在对电和磁的研究，1865年麦克斯韦最终建立了电场和磁场的大一统理论。到了1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，极具洞察力地论证了电磁场的统一性暗含了时间和空间的统一性：物理理论必须把时间和空间放在一起考虑，而时间和空间本身，失去了绝对意义。一个新的概念，“时空”，就这么诞生了。广义相对论尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证，但是观念上是把时间和空间分开考虑的，并且牛顿引力是瞬时传播的。因此，牛顿引力和狭义相对论理论在概念上是矛盾的。提出了狭义相对论之后，爱因斯坦进一步研究引力和“时空几何”的关系，重新思考伽里略所观察到的物体下落加速度一致这个现象，意识到引力是一个非常特殊的相互作用。如果我们进入一个自由下落的参照系，那么引力会消失！这就是为什么在地球附近的宇航员会感觉到失重：不是因为他们离地球太远，而是因为他们在自由下落！如果我们进入自由下落的参照系，引力好像没有了，是不是意味着引力只是参照系变换的产物，而不是真实的物理存在呢？不是的，因为宏观上不同位置上自由下落的参照系是不同的！如果我们考虑一个足够大的空间站，就会发现空间站不同位置上的物体会有相对加速的现象，这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度，是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。广义相对论中的时空几何，就是会让本来速度彼此平行的自由下落物体彼此接近或者远离。像牛顿引力中的苹果落地一样，广义相对论中的弯曲几何也可以用苹果解释。在苹果的表面，如果画一些起初平行的曲线，并且以同样的初速度从这些平行曲线出发。那么根据这些平行曲线的位置和走向不同，它们有的会彼此靠近（正曲率），有的会彼此远离（负曲率）。爱因斯坦联系时空几何和物质分布的方程，可以写成一个非常简洁的张量形式：这就是非常优美的爱因斯坦方程。在解释为什么广义相对论可以解决引力瞬时传播之前，咱们先看一下其艰深而又奇妙的一面。爱因斯坦方程的求解广义相对论的方程形式美的令人陶醉，但是数学结构比苹果表面的几何复杂很多。在相当一段时间里，数学家和物理学家只能远观而不能与之亲密接触，只得到了爱因斯坦方程在少数情况下的解，而并不理解这些方程的意义。直到20世纪70年代初，数学物理学家才证明了爱因斯坦方程在原则上可以系统的用初始条件加时间演化的方法求解。在1979年，丘成桐先生和他的学生Richard Schoen用几何分析的方法证明了《正质量定理》，给广义相对论中质量的概念奠定了数学的基础。真正女神的魅力是持久的，爱因斯坦方程解的全局性质、以及物理学家所用的数值解法的收敛性问题，至今也还是数学研究的前沿问题。黑洞自从爱因斯坦建立他的引力方程以来，科学家陆续发现了一些解析解，球对称下的Schwarzschild解和轴对称下的Kerr解。这些解所对应的时空中没有任何质量，貌似是纯时空几何的弯曲。后来，在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下，人们逐渐意识到，这是大质量星体烧尽核燃料以后，通过“塌缩”所达到的一个状态。Wheeler把这些时空结构命名为“黑洞”。在数学上，黑洞的时空有很多奇妙的结构。比如，黑洞有一个叫做“视界”的结构。在“时空图”上，视界把时空分成两部分，一部分是可以和远处联系的，而另一部分，是无法和远处联系的。当星体塌缩成黑洞时，坐在星体表面的观测者会穿过黑洞的视界，而站在外面的观测者，则不会看到星体表面的观测者穿过视界，只是看到他的运动越来越慢，像是被“冻结”在视界表面。再比如，在视界外面不远，有一个&lldquo;光球”。光在引力的作用下，可以在光球上绕着黑洞运转，既不逃逸到无穷远，也不落入黑洞。在70年代，科学家又从数学上推断出黑洞的一些其他性质。一方面，数学家证明了一系列的“黑洞唯一性”定理，显示具有“视界”并且没有物质的时空只能是有限的几个黑洞的时空结构。另一方面，《黑洞微绕论》的创立让物理学家从直观上论证了在星体塌缩成黑洞的过程中，黑洞的几何结构产生的过程。当霍金等物理学家把量子力学用在黑洞上时，惊奇地发现，黑洞也会通过所谓的”霍金辐射”蒸发。天文学中的黑洞黑洞在数学上奇妙的性质，引起了人们的无限遐想，也成为科幻作品的重要题材。可是，它是不是真实的物理存在呢？科学上要证明一个物体的存在，至少要观测到它对别的物体的效应。闭门造黑洞是不行的，要抬头看天！天文观测中，科学家发现了一些疑似黑洞的物体。由于对爱因斯坦理论的信任和青睐，天文学家们一致认为这些物体就是黑洞。第一类物体的质量是太阳的几倍到几十倍，它们存在于X-射线双星里，并且尺寸小于几十公里。按照广义相对论的计算，这样的物体必须是黑洞。这些物体发出的X-射线是由黑洞的伴星放出的气体在往黑洞下落的时候相互挤压、摩擦、加热发出的。第二类物体是存在于星系中心的超大质量黑洞，具有可以超过几十、几百万倍的太阳质量，并且也有很小的尺寸，让大家推测这些也必然是黑洞。比如，在银河系的中心，就有一个四百万太阳质量的黑洞。在另外一些星系中，有气体不断掉入黑洞，在黑洞附近形成一个绕着黑洞旋转的“吸积盘”，并且在黑洞的旋转轴附近发出“喷流”。这样的一个系统叫做活动星系核，它会发射的强烈电磁辐射，是天文观测的一个重要目标。还有一类物体是中等质量的黑洞。它们可能产生于小质量黑洞并合，或者小黑洞吃掉很多恒星，或者是通过宇宙早期的大质量恒星塌缩而形成。在某些低光度的活动星系核，超亮X-射线源和球状星团中有一些它们的踪迹。这些天文学中的观测现象从一个侧面证明了黑洞的存在，但是目前还没法很精确的测定黑洞附近的几何结构。这些黑洞也都是随时间不变的稳定黑洞，它们周围的时空结构，在我们观测的这段时间内是不变的。引力波爱因斯坦在1916年就预言了引力波的存在: 他发现自己的方程有一组解，和电磁波的性质类似，以光速传播。但是他在文章里又说（下图中最后一句），因为这个引力波辐射的能量很少，在所有能想得到的情况下，引力波的辐射都可以被忽略。 Albert Einstein, Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), 1916. 在很长一段时间内，物理学家搞不清这个解的物理意义，更没想到这个波可以有什么观测上的价值。在1960年左右，引力波的物理意义开始明朗，物理学家认为，引力波可以被看成是引力相互作用的传播，并且可以被看成是携带着引力能。这就说明，引力相互作用是以光速传播的。想了解引力波所对应的时空几何，需要把刚才光滑的苹果变成粗糙的橘子：橘子表面有两种弯曲的几何结构。大尺度的时空几何（橘子的半径）代表了宇宙空间中的引力，而小尺度的几何（粗糙的点点）代表了引力波。在一个自由下落的物体参照系中，引力波可以看成是一个“潮汐引力场”。也就是说，距离这个物体越远的物体，它感受到的引力场越大。在自由物体之间，潮汐引力场会引起他们相对位移按比例的变化（也就是“应变”）。引力波的振幅h，通常就用这个应变来代表。如果不是自由下落的分开的物体，而是一个整个的弹性体，那么引力场的效果还要看这个弹性体本身对外力的响应。引力波探测的历史爱因斯坦说了，引力波很微弱，那么到底有多么微弱呢？我们下面举一个例子说明。就算是人类历史上最大的氢弹爆炸，我们可以粗略的估算一下离爆炸处一米之内的引力波振幅h，也就是它引起的自由下落物体之间的应变。这个应变，只有10^-27左右的量级。韦伯和他设计的共振棒探测器。引力波驱动铝棒两端振动，从而挤压表面的晶片，产生可测的电压。图片来自：马里兰大学。虽然引力波这么微弱，但还是没有吓倒勇敢的实验物理学家Joe Weber。他深信，虽然地球上产生的引力波很微弱，宇宙空间中也许有天文现象可以导致足够强的引力波。20世纪60年代末期，Weber开始用共振法测量引力波。具体就是用一个很大的金属物体，利用引力波在物体的谐振频率上引起共振的特点，希望从这个物体的振动中提取引力波的信号。Weber发表了一些实验结果，认为已经发现了引力波。但是很可惜，他的实验没有人可以重复，而理论上也很难论证究竟是什么样的过程发出了这么强烈的引力波信号。但是，Weber的工作激励了一批科学家投身引力波事业。从20世纪70年代起，一批理论和实验物理学家加入了引力波理论研究和实验探测的行列。 MIT的实验物理学家Weiss注意到，引力波对物体之间距离的变化，和物体之间本来的距离成正比。这样的话，如果把物体之间的距离拉的很远，并且把它们做成镜子，然后用激光测距的方法测量镜子之间的距离，就可以成倍的提高对引力波测量的精度。在这个同时，英国Glasgow大学的Drever和休斯飞机公司的Forward也开始了激光干涉的引力波测量实验。 1975年，就在引力波实验逐渐发展的时候，天文学家Hulse和Taylor发现了一对脉冲双星。1982年，Taylor和Weisberg通过其轨道频率的演化，推断出了这个双星正在丢失能量，而这个能量丢失率和引力波导致的是一致。这给引力波的存在提供了一个强有力的间接证据：引力波终于从纸上走了出来！Hulse和Taylor在1993年因此获得诺贝尔奖，脉冲双星也成为研究广义相对论和中子星的一个重要系统。要提LIGO的历史，得提一下《星际穿越》中的“非著名电影演员” Kip Thorne。他是命名黑洞的物理学家John Wheeler的学生，算起来也是Richard Feynman的师弟。Thorne早年在Princeton做研究生的时候，和Wheeler一起研究了引力塌缩的过程，在黑洞作为星体演化末态的学说上做出了重要的贡献。从此， Thorne跟黑洞结下了不解之缘。不要惊讶，“引力圣经MTW”中的T和W就是Kip Thorne和John Wheeler。自从Weber“发现”引力波以后， Thorne就致力于黑洞和引力波这个新型辐射的研究。 2009年， Thorne从Caltech退休。他通过旧情人Lynda Obst认识了斯皮尔伯格和诺兰，并且参与了以黑洞为主题的电影《星际穿越》的编剧和摄制，从此进军好莱坞。每次有人托他办事，他如果想推脱，就会说现在开始了新的电影生涯，忙不过来。不过，这次华盛顿DC的记者会，他也还是重新出山了，风采绝对不亚于其在好莱坞的光芒！在20世纪70年代末， Thorne说服了Caltech支持引力波研究，Drever在Caltech建立了引力波探测实验室。1979年美国国家科学基金会开始资助Drever和Thorne在Caltech，以及Weiss在MIT的激光干涉引力波测量预研究。 LIGO的引力波源和理论研究最初，学术界普遍对探测引力波的可能性持怀疑态度。在早期，人们对引力波源的认识非常不足，一度认为超新星爆发是引力波探测的主要波源。后来，大家通过对超新星爆发的详细计算，推断出其所发出的引力波远没有以前想象的那么大。 90年代初，Thorne和他的合作者认识到，双黑洞和双中子星的碰撞所发出的引力波可以有足够的振幅被探测到。他开始系统的推进和开展引力波源的天体物理、相对论动力学研究和数据分析方法的研究。虽然多数人认为双中子星是最靠谱的波源，Thorne一直认为双黑洞因为质量比较大， LIGO可以看到比较远的距离，所以相应的体积中就会有更多的可能性。因此，虽然双黑洞的形成过程不太明确，但是还是有可能是最先被探测到的。想要研究双黑洞的引力波，必须先计算出广义相对论对双黑洞碰撞的预言。物理学家通过“数值相对论”的方法，用大型计算机对爱因斯坦方程进行求解。 LIGO计划的实施在90年代初，由Drever, Thorne和Weiss领导的LIGO项目得到了美国National Science Foundation的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个臂长四公里的干涉仪。在最早的LIGO计划书中，双黑洞和双中子星的碰撞过程是主要的目标。他们就提到了一个三步计划：第一步的initial LIGO在设计灵敏度下可以看到5亿光年以外的双黑洞碰撞，第二步的Advacned LIGO在设计灵敏度下可以看到70亿光年以外的双黑洞碰撞。这多出的14倍的距离，相当于多覆盖了宇宙中将近三千倍的体积。今天的Advanced LIGO，尚未达到设计灵敏度，就已经看到了14亿光年以外的双黑洞碰撞。那么，到底多少亿光年的覆盖距离才够呢？天文观测具有一定的随机性，但是随机过程也是可以从统计上进行把握的。为了不重蹈Joe Weber的覆辙，LIGO科学家们事先要推算出一定体积内黑洞、中子星碰撞的发生率。推测发生率，要根据天文学家对宇宙中星系的分布、星系中双星的形成、演化等一系列信息进行综合考虑。在没有引力波探测作为依据的情况下，对这些发生率推断是有很大误差的。根据当时最好的估计，initial LIGO应该只有很少的希望可以看到双黑洞的碰撞，而几乎没有希望看到双中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到双黑洞的碰撞，而应该可以保证至少探测到几个双中子星的碰撞。从这个角度来看，今天的成功，虽然是幸运，也并不是意料之外的事情。并且，既然我们已经在这个灵敏度下探测到了一个事件，这就意味着如果我们按照这个灵敏度继续探测，势必会有更多的事件被探测到。 LIGO的灵敏度和运行 LIGO探测器在1999年最初建成，然后花了5年时间，在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移变灵敏度达到10^-21。这是什么概念呢？这样的应变，如果是用到从地球到太阳之间的距离，导致的距离变化不超过头发丝的十万分之一。换算到千米量级的臂长，它对检验质量位移的灵敏度可以达到10^-18米，是原子核大小的1/1000！ LIGO为什么可以达到比原子核大小还要小的灵敏度呢？从光学定位的角度考虑，这是因为LIGO用了很强的激光，并且使用了光学谐振放大的方法。每一个光子，可以对位置进行一个光波长左右的测量。而光子在谐振腔中反复传播100次，就可以测量光波长百分之一的距离变化，也就是10^-8米。如果用多个光子，灵敏度会按光子个数的平方根增加。于是，10^20个光子，就可以达到10^-18米的灵敏度了。而从原子尺度考虑，则是因为LIGO的光束打在了很多个原子上，这个平均的效应让我们可以测量到比单个原子尺寸更小的位移。在2003到2009年这段时间，LIGO-1采集了一些数据，并且作出了分析。但是在这个数据里面并没有发现引力波。从2009到2015年，LIGO进行了历时6年的升级，从LIGO-1升级到LIGO-2，也就是Advanced LIGO。世界各国的大型引力波探测器在美国的LIGO计划开始之后，欧洲也开始进行引力波探测计划。目前，比较大型的探测器是由英国和德国合作，在德国Hannover附近建造的GEO 600探测器，以及由法国和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的壁长是600米，而VIRGO的臂长是3000米。相比之下,VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600，而和LIGO相当。大家也许会问，为什么经济实力更强的英、德两国在引力波探测器的规模上竟然会比不过法意两国呢？据说，本来前西德也要建造一个4公里臂长的探测器。但是由于东西德合并，西德支持东德，这个经费就被砍掉了，只好建造一个600米的探测器。最近，日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。早年，在日本有一个TAMA300探测器，位于东京附近的三鹰市，在日本的国家天文台院内，臂长300米。日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测，这个KaGRA项目终于在2008年立项。目前，这个探测器的建设已经基本完成，进入了调试阶段。前些年，印度也开始加入了引力波探测的行列。LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议，计划把LIGO的一部分实验设备运往印度，并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。 GW150914 正可谓“谋事在人，成事在天”。回顾一下150914，它的发现是和人类历史上许多伟大发现一样，是一个偶然。发现在LIGO的正式运行中，都会做一个Blind Injection的操作：就是让几个合作者在数据里面偷偷的加上一些模拟的引力波信号，并且把这些信号的参数保密。这样，其他处理数据的人就算是有所发现，也没法知道真假。直到最后一刻，主持人打开信封，宣布偷偷加上的信号的参数，大家才恍然大悟。Blind Injection不但会提高士气，也会杜绝泄密。这个方法在LIGO-1的运行中颇有成效。在2015年9月份，LIGO开始了一次工程试运行（Engineering Run）。因为只是调试运行，盲注的机制都没有组织好，所以根本就没有盲注。没想到，有些事情不能随便试的，没开始几天就发现了一个置信度超高的引力波信号。这个信号大到什么程度呢？就是只做一些简单的滤波后就可以用肉眼在数据的波形中发现了。自己看数据吧：碰撞的过程除去再次验证了爱因斯坦的神奇之处, 从这个探测到的引力波事件，我们可以学到什么呢？从波的频率演化看，在低频的部分开始。碰撞的三个阶段第一阶段。两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这在引力波天文学中是比较低的频段，但是这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是，这两个黑洞分别为36和30太阳质量，每个半径大约是一百公里左右，距离是一千公里，每秒钟互相转15圈。第二阶段。到两个黑洞快并合的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，就是每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了，它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。第三阶段。然后，这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞（科尔黑洞）。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周围绕转，并且逐渐逃逸到远处。为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢？我们不是说过引力波携带能量吗？有一部分的质量以引力波的形式被释放了。这些引力波携带的能量等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。对应到标准宇宙学中的“红移”，这个事件所在的红移是0.09。在这个事件发生的时候，咱们的宇宙的“尺寸”是现在的91%。意义上面的三个过程，让我们第一次“亲眼看到”了黑洞的存在。由于引力波可以看成是直接推动了镜子的机械振动，我们也可以说是亲耳听到了黑洞的存在！为什么我们知道是两个黑洞变成一个黑洞呢？下面我们给一个粗略的解释。单个物体的质量，可以从是通过波形的振幅和频率随时间演化所测定的。而上面第一、二个阶段的转换，可以让我们推测出每个物体的尺寸，从而断定它们都是黑洞。第三个阶段，波形的频率和衰减率可以让我们推断出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的几何结构。 LIGO科学家还从这个引力波的波形，对相对论的预言做了一定的检验，并且在统计误差范围之内没有发现和相对论的区别。粗略的说，就是在波形的不同时间、不同频段，和相对论预言的吻合程度相对一致，没有发现系统的差别。其中一个比较有特色的检验就是关于引力波的传播速度的检验。没有其他方法比较，怎么能说明引力波是以光速传播呢？简单的答案就是，对于这个事件，由于没有其他方法比较，只能间接的对引力波的传播做一个检验。由于在不同频段波形和广义相对论的预言吻合，我们可以推断，引力波在不同频率上的传播速度一致。不同频率上传播速度一致的波，根据“狭义相对论协变性”的要求，一般来说应该是以光速传播的。于是，从这个意义上讲，这次也算是部分、间接的验证了引力波以光速传播这个性质。引力波天文学直接探测到双黑洞的碰撞，只是引力波天文学的开端。就算你猜中开头，也绝猜不到结尾！因为没有结尾！对于双黑洞引力波的研究，GW150914只是一个开端。更多的双黑洞事件，会让我们更详细的了解黑洞附近的时空几何，以及黑洞碰撞时候时空的几何动力学性质。下一步使用LIGO，我们还期待着双中子星、黑洞中子星碰撞的发现。这些，还会让我们了解中子星的内部结构。更进一步的，LIGO还希望可以探测到从单个中子星发出的连续引力波辐射，甚至是背景引力波辐射。LIGO打开了一扇探索宇宙的新窗口，更令人兴奋的是一些未知源的引力波爆也可能被探测到。大部分引力波源发射引力波的时候也发射传统天文学的“信使”：电磁波，中微子和宇宙线。结合传统天文学的信使，引力波－多信使对应体－宿主星系这一体系的进一步联合观测将不但有利于提高引力波的定位和参数估计精度，还能提供对于引力波多信使对应体本质的更多理解。在Advanced LIGO之后，我们希望能提高地面引力波探测器的精度，从而探测到更多的双黑洞，双中子星，中子星－黑洞双星等事件；这将提供关于详细的黑洞形成和演化的更确切数据，更可以使我们直接推断中子星状态方程，暗能量状态方程等等物理学、天文学、宇宙学更为有趣的问题。增加更多的事件、并且探测到更高信噪比的信号，也有利于精确的研究黑洞的性质，与广义相对论做更详细的比对。更进一步，我们要在空间建立引力波探测器。在空间，物体之间的距离更长，而且没有地面上振动的扰动，让我们可以观察低频率的引力波，可以探索超大质量黑洞绕转和小黑洞围绕大黑洞旋转等有趣的现象，从而了解星系形成的过程和进一步了解黑洞周围的时空结构。知社学术圈对陈、范两位老师独家采访陈雁北，加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士。2003年在Kip Thorne指导下从加州理工学院获得博士学位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。范锡龙，湖北第二师范学院物理学副教授，中国引力与相对论天体物理学会会员。2006年-2007年访问德国马普所引力物理研究所1年，跟随陈雁北、温琳清等人学习。2008年在朱宗宏教授指导下获得北京师范大学硕士学位。2012年获得意大利里雅思特大学博士。曾获得英国皇家学会“ Newton International Fellowships ”和中国国家自然科学基金资助。知社：能不能介绍一下您在LIGO科学联盟中的工作，以及对引力波探测的贡献？陈雁北：我在1999年进入Caltech的时候，本来没有太多的目的性。但是听了Kip Thorne讲课，觉得他这个教授比较有意思：不但兴趣广泛，而且往往能把很复杂的问题用很简单的方法搞定。我那时候觉得我自己数理基础不是特别好，不敢搞特别抽象的高能物理理论，手又笨搞不了实验，于是就决定追随Kip Thorne。从1980年开始，Kip Thorne和他的学生Carlton Caves，以及合作者，莫斯科大学的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在对LIGO灵敏度的研究中，涉及到了对单个量子物体连续测量的理论，我刚入学的时候对这个问题特别感兴趣。我一开始是和一个博士后，Alessandra Buonanno，一起做一些量子光学的计算。现在Alessandra是德国马普引力物理研究所的Director之一，在这次引力波事件的分析中起到了决定性的领导作用。后来这些就可以用来计算Advanced LIGO这个光学结构下光的量子涨落所导致的噪声。其实我们的公式到现在还没有用上，因为Advanced LIGO还没有用到足够的激光光强。我后来就一直继续对量子噪声的计算，和下一代LIGO的光学设计的研究。我在博士期间第二个工作，也是和Alessandra以及另外两个研究生Michele Vallisneri、潘奕一起，研究在第一代LIGO中怎么最优的提取出双黑洞的信号。在那个时候，数值相对论的模拟还不成熟，所以我们都是考虑怎么把微扰论的结果用在LIGO的数据分析上。博士毕业以后，我到德国的马普引力物理研究所，并且继续参与LIGO的研究。我在Caltech做博士的最后几年，以及在德国的时候，initial LIGO在提取数据，但是没有探测到引力波。但是由于那时候大家觉得LIGO也有可能发现引力波，德国的洪堡基金会发给了我一个Sofja Kovalevskaya Award，让我领导了一个科研小组。那几年我主要是研究宏观物体的量子测量问题，以及怎么样用LIGO同时作为检验量子力学的工具。我也同时和日本国家天文台的川村教授合作了一些空间引力波探测器的设计，还和马普所的博士后温琳清（现在在西澳大利亚大学）合作了多探测器引力波数据分析策略的研究。我也同时做了一些空间引力波探测器的设计、以及引力波数据分析策略的研究。我和那时候马普的研究生P. Ajith、博士后Martin Hewitson一起发明的Phenominological Template Bank，现在是LIGO双黑洞数据处理中的一个重要方法。回到Caltech以后，我继续做量子测量、LIGO光学设计的研究，也和Caltech的Rana Adhikari教授合作，做了一些LIGO中光学器件热噪声的研究。在广义相对论方面，我开始研究黑洞微扰论，并且开始研究黑洞合并时候几何动力学的一些特点。在数据分析方面，我和西澳大学的温琳清教授合作，发展了一个快速提取中子星并合波形的数据处理方案。这个方案正由温教授实施在LIGO中。知社：对探测如此微弱的引力波，刚开始的时候有没有信心，中间有没有产生怀疑，看到这个数据的时候，是什么样的一种心情？陈雁北：对于我个人来说，LIGO给了我一个很好的机会，让我可以研究各种各样的物理问题。就算LIGO没有探测到引力波，其中也有很多有意思的问题可以研究。比如量子光学，比如广义相对论和黑洞物理，比如数据分析的方法，还有非平衡态热力学的一些知识。在我科研生涯的前十几年，我觉得我尝试了、学会了很多东西。对于我来说，双黑洞探测的成功也许是一个转折点，我以后可能要更集中精力研究和黑洞有关的问题。范锡龙：第一次注意到这个事件的时候是在北京师范大学，那时候我和其他同事正筹划召开一个引力波天文学研讨会，再加上之前有过盲注，就没在意。2015年9月16日左右，我和来自英国格拉斯哥大学LVC成员早餐时间在师大餐厅讨论这个信号，我的观点是如果是真的就太幸运了，我不相信。有趣的是，因为保密原则，我们不能提及任何引力波的事情。旁边的人如果认真偷听，会听到英文版的：“那个事（the event）是真的吗？”“可能吗？不会吧！”“那个事很太明显！”之类的谈话。我们谈话期间，天文系朱宗宏老师走了过来，他是非lvc成员的引力波专家。那情形就是我们突然停住了谈话，大家相互张望，异常有趣。我对于信号的怀疑程度的变化直到开了一次lvc电话会议，盲注团队说没有任何已知信号注入行为，然后仪器团队说数据很干净。我当时有一丝丝相信我们可能真的做到了。2016年1月22日凌晨1点36分，经过了浑身颤抖的短暂等待，我泪流满面，因为lvc电话会议宣布：lvc集体投票决定第10版“探测文章”可以投稿。我知道，我们做到了。直到现在，一想到这个发现，我还是心跳加速。知社：这样的天文事件，几率有多大？调试运行，就测到如此强大信号，是不是很幸运？以后会经常性的探测到么？陈雁北：天文观测不能完全碰运气。对于LIGO，我们是根据天文学中一些知识，推断出在一定灵敏度下，单位时间能够探测到事件的概率。虽然这个概率本身也有很大的不确定性，但是LIGO在设计的时候，也考虑到了这个问题。所以，从一定程度上说，Advanced LIGO能探测到这个事件也不是很意外的事情。而initial LIGO什么都看不到，也是意料之中的。既然我们已经在这个灵敏度下探测到了一个事件，这就意味着势必会有更多的事件被探测到。知社：LIGO探测到引力波，对中国的天琴计划，有什么样的影响？陈雁北：中山大学的罗俊院士，是中国引力物理界的领军人物。他对引力常数的测量，引力定律的检验的研究，都处于世界的前沿。罗院士的团队最近提出的《天琴计划》，是在空间中测量引力波。空间中，我们可以测量频率更低的引力波。一方面，可以从侧面验证LIGO引力波源、引力波传播的性质，另外一方面，也可能探测到大质量甚至超大质量的黑洞。我希望这次LIGO对引力波的探测，对天琴计划是一个推动。知社：引力波速度与光速一致，这里面有什么内在联系么，还是纯属巧合？有没有可能给大一统理论指引一个方向？陈雁北：这是一个很深刻的问题。在广义相对论里面，当引力波和光波的波长远小于时空曲率半径的时候，它们的传播都可以看成是沿着所谓的“类光测地线“传播。所谓类光地线，可以说是在时空几何中，想逃离一个点，最最快的一个路径。当波长可以和时空曲率半径相比的时候，引力波和光波的传播时不同的。这次探测到的引力波，波长远远小于宇宙空间中的时空曲率半径，所以传播速度应该是和光一样。引力波的存在，以及引力波以光速传播本身，在理论物理中已经是非常公认的一个现象。所以探测到引力波本身，应该不能对大统一理论作出贡献。知社：最后替科幻迷问一个问题，能不能借助引力波，实现星际航行和时空穿越？陈雁北：前些年，在德国的时候，我有一个来自日本的博士后，叫做宗宫健太郎。宗宫教授是实验物理学家，现在是东京工业大学的副教授，是日本引力波探测器KaGRA的重要参加者。宗宫教授和我一样，都是《机器猫》迷。当年在德国的时候，我们经常开车从波茨坦去汉诺威，路上就会聊天。记得他跟我说过，他当年参与引力波的原因就是因为他觉得发现了引力波，发现黑洞，就是造出机器猫里面的“时间机器”的第一步。也许宗宫教授当年比较幼稚，但是，我们不要忘记Joe Weber的“幼稚”导致了50年后今天对双黑洞的发现。如果通过引力波观测，我们探测到任何跟现在的广义相对论推断所不符的线索，那么就有可能导致基础理论的突破。