藍天研究是如何塑造未來的？

2016年，當科學家宣布探測到黑洞合并輻射出的引力波時，這個振奮人心的消息瞬間佔據了世界所有媒體的頭條。愛因斯坦在一百年前預言的時空中的隱形漣漪終於被確認。2017年5月31日，激光干涉儀引力波天文台（LIGO）和室女引力波探測器（Virgo）的科學家進行了一次低調的電話會議，確認發現了第三次引力波事件GW170104，標誌著引力波的時代正式來臨。未來，升級後的LIGO預計會頻繁地探測到引力波事件，為探索宇宙黑暗的一面打開一個新的窗口。

△ 當地球還處於太古宙時期，在遙遠的宇宙中，兩個質量分別為31.2和19.4個太陽質量的黑洞合二為一，產生了一個48.7太陽質量的黑洞。在合并的那一瞬間，以引力波的形式釋放出了近2個太陽質量的能量，並以光速傳播在廣漠空曠的空間中。經歷30億年的時間，這些引力波終於在2017年1月4日抵達地球，穿過了位於美國的引力波探測器。（圖片來源：LIGO）

這是由好奇心驅動的基礎科學研究的一次非凡成就。基礎研究（通常也被稱為「藍天研究」，指由好奇心驅動的科學，沒有一個明確的目標）與應用研究截然不同，後者旨在開發先進的技術來解決特定的問題或製造新的產品。

但它們之間卻有著緊密的聯繫。

正如諾貝爾得主Frank Wilczek所說：「應用研究就像是在探索已知的大陸，而基礎研究則像置身於一艘剛出發的船，看它能帶我們走到哪裡。 你可能最終會返回起點，可能在海上沉沒，也可能會發現一個全新的大陸。所以它更長遠，也更冒險，並且不是每次都能有所收穫。而當有所收穫時，它將為那些啟航前往未知領域的人帶來無限的可能。」

大多數物理學，特別是粒子物理學，都屬於基礎研究的範疇。馬里蘭大學的理論物理學家Jim Gates 說：「在粒子物理學中，我們追問的是跟物質和能量的本質有關的那些最深刻的問題，並最終涉及到空間和時間，因為所有這些問題都是緊密聯繫在一起的。」

物理學家追問那些與早期宇宙相關的問題，他們想知道暗物質的本質，研究像超對稱、弦理論和額外維度這樣的理論現象。從事基礎研究最知名的的科學家之一便是預測了引力波的存在的愛因斯坦。

愛因斯坦一生都致力於解釋那些最基本的概念，如引力的本質和時間與空間之間的關係等。根據Wilczek的說法，「很顯然，愛因斯坦所做的一切並不為製作什麼產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，彌補我們認知上的瑕疵。」

除了提升我們對世界的認知外，愛因斯坦的發現實際上帶來了許多重要技術的發展。例如，如果沒有狹義和廣義相對論，全球定位系統（GPS）就不可能存在。 一個GPS接收機（比如我們手中的智能手機）是根據環繞地球的四個GPS衛星收到的實時信號來定位。由於衛星移動的速度非常快，以及衛星感受到的引力強度不同，因此它們與地球表面上的接收機會經歷不同的時間流逝。多虧了愛因斯坦的理論，工程師可以計算和糾正這種時間差，否則將失之毫釐，差之千里。

△在無人涉足過的海域探索，或許會有意外的收穫。（圖片來源：Corinne Mucha）

在基礎研究中獲得意外發現有著悠久的歷史。例如1989年在歐洲粒子物理研究所CERN，計算機科學家 Tim Berners-Lee 正在尋找一種促進研究人員之間信息共享的方式，結果他發明了萬維網。

在20世紀30年代，當哥倫比亞大學的科學家們試圖在磁場中研究核的性質時，物理學家 Isidor Isaac Rabi 卻發現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。

核磁共振成像機需要巨大的超導磁體才能運行，在核磁共振成像機器還沒被廣泛運用的另一個50年前，基礎研究再次發揮了巨大作用。大概在 Rabi 的發現被用於研究醫學成像的同一時間，美國能源部的費米國立加速器實驗室的科學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，而這項任務的完成需要是用大量超導線材料。

費米實驗室的理論物理學家Chris Quigg 說：「當時我們是超導電纜的第一大客戶，花了大量的錢來獲得所需的性能。」 Tevatron創造了超導線的商業市場，從而讓商業公司在像醫院這樣的地方大規模的建立核磁共振成像機器成為可能。

醫生現在使用核磁共振技術來對人體內部進行清晰地成像，有效地幫助醫生診斷和治療各種疾病，包括癌症、心臟問題和器官疾病（比如肝臟，胰腺和腸道中的疾病）。

粒子物理學所衍生的另一項被廣泛用於各種行業的工具是粒子探測器。在20世紀80年代，粒子物理學家研發出足以精確地探測到單個光子的技術。現如今醫生使用同樣的技術——即正電子發射斷層(PET)掃描，來進行腫瘤、心臟病和中樞神經系統疾病的探測。在進行 PET 掃描之前，醫生會通過注射、服用、或吸入的方式給患者輸入具有放射性示蹤劑的染料。示蹤劑會釋放反粒子，在與物質粒子相互作用的過程中釋放出光子，讓 PET 掃描儀觀測到，從而構成一副足以在細胞層面上揭示問題的詳細圖像。

正如 Gates 所說，「不斷探求基礎研究是讓科幻小說中出現的那些設備和概念成為現實的唯一途徑。如果我們現在不進行研究，未來也無法建造星際飛船。」

目前我們還不確定引力波的存在能為人類帶來什麼樣的實際應用，但或許能進一步學習到跟宇宙有關的新知識就已足夠。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域帶來新的啟示。

人類科技進程的歷史教給我們的是，繼續探索吧，我們會在探索之路上受益無窮的！

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