2016年，當(dāng)科學(xué)家宣布探測(cè)到黑洞合并輻射出的引力波時(shí)，這個(gè)振奮人心的消息瞬間占據(jù)了世界所有媒體的頭條。愛因斯坦在一百年前預(yù)言的時(shí)空中的隱形漣漪終于被確認(rèn)。2017年5月31日，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女引力波探測(cè)器（Virgo）的科學(xué)家進(jìn)行了一次低調(diào)的電話會(huì)議，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了第三次引力波事件GW170104，標(biāo)志著引力波的時(shí)代正式來臨。未來，升級(jí)后的LIGO預(yù)計(jì)會(huì)頻繁地探測(cè)到引力波事件，為探索宇宙黑暗的一面打開一個(gè)新的窗口。
△ 當(dāng)?shù)厍蜻€處于太古宙時(shí)期，在遙遠(yuǎn)的宇宙中，兩個(gè)質(zhì)量分別為31.2和19.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞合二為一，產(chǎn)生了一個(gè)48.7太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。在合并的那一瞬間，以引力波的形式釋放出了近2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，并以光速傳播在廣漠空曠的空間中。經(jīng)歷30億年的時(shí)間，這些引力波終于在2017年1月4日抵達(dá)地球，穿過了位于美國(guó)的引力波探測(cè)器。（圖片來源：LIGO）
這是由好奇心驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)科學(xué)研究的一次非凡成就。基礎(chǔ)研究（通常也被稱為“藍(lán)天研究”，指由好奇心驅(qū)動(dòng)的科學(xué)，沒有一個(gè)明確的目標(biāo)）與應(yīng)用研究截然不同，后者旨在開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)來解決特定的問題或制造新的產(chǎn)品。
但它們之間卻有著緊密的聯(lián)系。
正如諾貝爾得主Frank Wilczek所說：“應(yīng)用研究就像是在探索已知的大陸，而基礎(chǔ)研究則像置身于一艘剛出發(fā)的船，看它能帶我們走到哪里。 你可能最終會(huì)返回起點(diǎn)，可能在海上沉沒，也可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的大陸。所以它更長(zhǎng)遠(yuǎn)，也更冒險(xiǎn)，并且不是每次都能有所收獲。而當(dāng)有所收獲時(shí)，它將為那些啟航前往未知領(lǐng)域的人帶來無限的可能?！?/p>
大多數(shù)物理學(xué)，特別是粒子物理學(xué)，都屬于基礎(chǔ)研究的范疇。馬里蘭大學(xué)的理論物理學(xué)家 Jim Gates 說：“在粒子物理學(xué)中，我們追問的是跟物質(zhì)和能量的本質(zhì)有關(guān)的那些最深刻的問題，并最終涉及到空間和時(shí)間，因?yàn)樗羞@些問題都是緊密聯(lián)系在一起的。”
物理學(xué)家追問那些與早期宇宙相關(guān)的問題，他們想知道暗物質(zhì)的本質(zhì)，研究像超對(duì)稱、弦理論和額外維度這樣的理論現(xiàn)象。從事基礎(chǔ)研究最知名的的科學(xué)家之一便是預(yù)測(cè)了引力波的存在的愛因斯坦。
愛因斯坦一生都致力于解釋那些最基本的概念，如引力的本質(zhì)和時(shí)間與空間之間的關(guān)系等。根據(jù)Wilczek的說法，“很顯然，愛因斯坦所做的一切并不為制作什么產(chǎn)品亦或是任何如此世俗的東西，而是解決我們無法理解的難題，彌補(bǔ)我們認(rèn)知上的瑕疵?！?/p>
除了提升我們對(duì)世界的認(rèn)知外，愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上帶來了許多重要技術(shù)的發(fā)展。例如，如果沒有狹義和廣義相對(duì)論，全球定位系統(tǒng)（GPS）就不可能存在。 一個(gè)GPS接收機(jī)（比如我們手中的智能手機(jī)）是根據(jù)環(huán)繞地球的四個(gè)GPS衛(wèi)星收到的實(shí)時(shí)信號(hào)來定位。由于衛(wèi)星移動(dòng)的速度非?？欤约靶l(wèi)星感受到的引力強(qiáng)度不同，因此它們與地球表面上的接收機(jī)會(huì)經(jīng)歷不同的時(shí)間流逝。多虧了愛因斯坦的理論，工程師可以計(jì)算和糾正這種時(shí)間差，否則將失之毫厘，差之千里。
△探索無人涉足過的海域，或許會(huì)有意外的收獲。（圖片來源：Corinne Mucha）
在基礎(chǔ)研究中獲得意外發(fā)現(xiàn)有著悠久的歷史。例如1989年在歐洲粒子物理研究所CERN，計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Tim Berners-Lee 正在尋找一種促進(jìn)研究人員之間信息共享的方式，結(jié)果他發(fā)明了萬(wàn)維網(wǎng)。
在20世紀(jì)30年代，當(dāng)哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家們?cè)噲D在磁場(chǎng)中研究核的性質(zhì)時(shí)，物理學(xué)家 Isidor Isaac Rabi 卻發(fā)現(xiàn)了核磁共振的基本原理。這些理論最終為核磁共振成像（MRI）奠定了基礎(chǔ)。
核磁共振成像機(jī)需要巨大的超導(dǎo)磁體才能運(yùn)行，在核磁共振成像機(jī)器還沒被廣泛運(yùn)用的另一個(gè)50年前，基礎(chǔ)研究再次發(fā)揮了巨大作用。大概在 Rabi 的發(fā)現(xiàn)被用于研究醫(yī)學(xué)成像的同一時(shí)間，美國(guó)能源部的費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師正開始建立 Tevatron 粒子加速器，用來研究粒子的基本屬性，而這項(xiàng)任務(wù)的完成需要是用大量超導(dǎo)線材料。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家 Chris Quigg 說：“當(dāng)時(shí)我們是超導(dǎo)電纜的第一大客戶，花了大量的錢來獲得所需的性能?！?Tevatron創(chuàng)造了超導(dǎo)線的商業(yè)市場(chǎng)，從而讓商業(yè)公司在像醫(yī)院這樣的地方大規(guī)模的建立核磁共振成像機(jī)器成為可能。
醫(yī)生現(xiàn)在使用核磁共振技術(shù)來對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行清晰地成像，有效地幫助醫(yī)生診斷和治療各種疾病，包括癌癥、心臟問題和器官疾?。ū热绺闻K，胰腺和腸道中的疾?。?。
粒子物理學(xué)所衍生的另一項(xiàng)被廣泛用于各種行業(yè)的工具是粒子探測(cè)器。在20世紀(jì)80年代，粒子物理學(xué)家研發(fā)出足以精確地探測(cè)到單個(gè)光子的技術(shù)?，F(xiàn)如今醫(yī)生使用同樣的技術(shù)——即正電子發(fā)射斷層(PET)掃描，來進(jìn)行腫瘤、心臟病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的探測(cè)。在進(jìn)行 PET 掃描之前，醫(yī)生會(huì)通過注射、服用、或吸入的方式給患者輸入具有放射性示蹤劑的染料。示蹤劑會(huì)釋放反粒子，在與物質(zhì)粒子相互作用的過程中釋放出光子，讓 PET 掃描儀觀測(cè)到，從而構(gòu)成一副足以在細(xì)胞層面上揭示問題的詳細(xì)圖像。
正如 Gates 所說，“不斷探求基礎(chǔ)研究是讓科幻小說中出現(xiàn)的那些設(shè)備和概念成為現(xiàn)實(shí)的唯一途徑。如果我們現(xiàn)在不進(jìn)行研究，未來也無法建造星際飛船?！?/p>
目前我們還不確定引力波的存在能為人類帶來什么樣的實(shí)際應(yīng)用，但或許能進(jìn)一步學(xué)習(xí)到跟宇宙有關(guān)的新知識(shí)就已足夠。我們期待它能為黑洞、中子星、超新星、弦理論、膨脹宇宙、大爆炸回聲以及引力子等研究領(lǐng)域帶來新的啟示。
人類科技進(jìn)程的歷史教給我們的是，繼續(xù)探索吧，我們會(huì)在探索之路上受益無窮的！
參考來源：
http://www.symmetrymagazine.org/article/how-blue-sky-research-shapes-the-future
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20170601
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