2017諾貝爾物理學獎：捕獲時空漣漪

1916年，愛因斯坦預測了引力波的存在。物理學家們因此孜孜不倦地探尋。這場探尋在100年後，終於有了確定的結果。

1974年，美國科學家約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）和拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）發現了脈衝雙星PSR B1913+16，他們的研究間接地證明了引力波的存在，因此獲得了1993年諾貝爾獎。2017年，LIGO科學合作組織的三位主要成員：雷納·韋斯（Rainer Weiss）、 巴里·巴瑞什（Barry Barish）、吉普·索恩（Kip Thorne）獲得了諾貝爾獎物理學獎——他們所帶領的由上千位科研人員組成的團隊直接探測到了引力波。這項成就是人類歷史上最重大的發現之一，猶如推開了一扇觀察宇宙的全新窗口，遠方的風撲面而來。

20世紀60年代，美國學者約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）建造了一個直徑1米、長度2米的鋁製圓柱體——韋伯棒。他設想，當引力波經過圓柱體時，會使圓柱在不同方向上拉伸和壓縮。如果能探測到這些壓力變化，就能識別出引力波。雖然韋伯並沒有獲得成功，但他的嘗試啟迪了許多物理學家。

美國學者萊納·魏斯（Rainer Weiss）提出了用激光干涉的方法測量引力波的點子：當一束激光在經過一個分光鏡後，能朝向兩個互相垂直的方向前進，再通過反射鏡反射回來並重新匯聚；匯聚後的激光由於干涉而相互抵消，感測器上不會接收到任何信號；一旦引力波經過，兩條連接反射鏡與半透鏡的通道距離就會發生微小的變化，干涉現象就會改變，感測器就能接收到光波，從而確定有引力波經過。

基於這個原理，20世紀 90 年代，激光干涉引力波觀測台（LIGO）開工建設。這是世界上最大的引力波天文台，同時也是世界上最精密的物理實驗室。它由位於美國利文斯頓與漢福德的兩個相距幾千公里的大型激光干涉儀組成，每一條幹涉臂都有4千米長。這兩個探測器互相印證，以區分引力波和環境雜訊。

在2015年9月14日格林尼治標準時間9點50分45秒，LIGO的兩台探測器同時觀測到了GW150914信號。科學家發現，GW150914是一個36倍太陽質量的黑洞和一個29倍太陽質量黑洞的併合事件，發生於距離地球13億光年以外的地方。能讀取到這個信號，就好像在一個擁擠的大房間里從嘈雜的背景中辨析出一場對話一樣。經過大量後期工作，2016年2月11日，LIGO項目的科學家宣布，他們探測到的是真實存在的引力波。

在LIGO奠定的研究基礎上，科學家進一步提出了雄心勃勃的計劃:在太空中用衛星形成陣列，增加干涉臂的長度，以竊聽更低頻率上的引力波——這一想法催生了太空激光干涉儀（LISA）。此外，天文學家還希望能通過測量多個脈衝星的計時數據，把整個銀河系當成一個巨大的引力波探測器。宇宙學和物理學研究正在進入新的階段。

圖片註解：

（第一行）引力波 黑洞 時空

1. 用激光監測兩條幹涉臂的長度變化。

2. 分光設備將激光分成兩條一樣的鋼束，分別射入兩條4千米長的干涉臂。

3. 激光束抵達干涉臂盡頭的反射鏡，反射回中心點。

4. 如果引力波經過，會對兩條幹涉臂造成不同的影響，一條會伸長，另一條則收縮。

5. 在沒有引力波的情況下，兩道光波會原樣返回，互相抵消。

6. 如果兩條幹涉臂受到了引力波的影響，兩條光波經過的路徑長短就會產生不同，就不會相互抵消，光束就會打到探測器上。

圖片註解：

① 質量為太陽29倍的黑洞

②質量為太陽36倍的黑洞

③產生了質量相當於62個太陽的新黑洞

④LIGO漢福德探測器接收到的擾動

⑤宇宙的啼鳴：相當於3個太陽質量的能量在幾十分之一秒內釋放出來。

本文由作者金吾編譯，系科貓平台原創編譯文章，如轉載或摘取，請標註來源：中國科技工作者之家「科貓」APP。

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