LIGO三劍客榮獲諾貝爾物理學獎，中國學者共享榮光

最新 10-03

海歸學者發起的公益學術平台

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

知社學術圈斯德哥爾摩快訊，北京時間10月3日下午5點45分，瑞典皇家科學院宣布將2017年諾貝爾物理學獎授予LIGO三劍客Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，表彰他們在人類首次探測到引力波的卓越貢獻。

遺憾的是，LIGO聯合創始人Ronald Drever教授已於2017年3月7日去世，未能見證這一榮耀時刻。

多名中國學者在LIGO團隊為引力波探測做出重要貢獻並在人類首次探測到引力波的PRL論文署名，如清華大學曹軍威團隊、其中包括湖北第二師範學院范錫龍博士，以及Kip Thorne 學生，畢業於北京大學的加州理工學院陳雁北教授，和畢業於中國科大的西澳大學溫琳清教授。

請看知社火線深度報道並在文末下載相關論文，其中第一篇是Weiss沒有影響因子的內部報告。Thorne說：Rainer非常謙虛，他覺得在探測到引力波以前，他不應該在常規刊物上發表這些東西。所以他選擇在麻省理工的內部報告上發表了他的文章，那是我所讀過的最具技術含量的一篇硬貨。並附陳雁北教授獨家專訪和Kip Thorne特別訪談。

Kip Thorne （基普·索恩）, 理論物理學家，1940年出生於美國猶他州，1965年於普林斯頓大學獲得物理學博士學位，1966-2009年在加州理工學院工作，曾任費曼理論物理學教授。索恩也是很多畢業於加州理工學院的著名理論物理學家的導師或論文指導教授。他2009年6月退休後前往好萊塢從事電影創作，參與的第一部電影即為大家熟知的「星際穿越」。索恩的主要研究領域為相對論天體物理學和引力物理。是公認的相對論研究權威之一。他最為世人所知的研究是蟲洞可用於時間旅行。除此之外他在科普方面的能力與貢獻亦為人稱道。知社此前曾深入報道索恩的科學藝術人生，點擊可以閱讀：

Rainer Weiss（萊納·魏斯），實驗物理學家，1932年出生於德國柏林，1962年於麻省理工學院獲得博士學位。1960-1962年曾在塔夫茨大學工作，之後返回麻省理工學院並工作至今。魏斯在物理學的多個領域都有建樹，包括原子物理、激光物理和天文學。特別是他對於宇宙微波背景輻射譜的測量屬於開創性工作。他是引力波干涉儀探測器的發明人之一併參與共同創建LIGO。知社曾報道Rainer Weiss的青蔥歲月與傳奇人生，點擊可以閱讀：

Barry Barish, 實驗物理學家，1936年生於美國奧馬哈市，1962年獲得加州大學伯克利分校高能實驗物理博士學位，1963年加入加州理工學院。1994年擔任LIGO PI，1997年成為LIGO主任，並創建LIGO科學聯盟。去年9月諾獎周前，Science雜誌曾發表長文，題為Will Nobel Prize overlook master builder of gravitational wave detectors?為Barish諾獎造勢。文章寫道：

Barish, a particle physicist at Caltech, didn』t invent LIGO, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. But he made it happen.

Barish自己也說：

I think there』s a bit of truth that LIGO wouldn』t be here if I didn』t do it, so I don』t think I』m undeserving.

今天，他終於如願以償！

在這個榮耀的日子，我們也不應該忘記Ronald Drever（羅納德·德雷弗），實驗物理學家，1931年出生於蘇格蘭，1958年於英國格拉斯哥大學獲得博士學位，1960-1969年在格拉斯哥大學任教，後前往加州理工學院任物理學教授，於2002年退休任物理學榮譽教授，2017年3月7日去世。德雷弗在實驗方面有著非凡天賦，按其兄弟的說法，擁有「能修好任何東西的能力」。他在許多實驗物理學領域都有重要貢獻。他在1983年聯同R. V. Pound和John L. Hall發明了以他們名字命名的應用廣泛的 PDH穩頻技術。從1972年開始他的主要研究精力用於引力波探測器，並在設計與安裝運轉LIGO干涉儀裝置上做出了卓越貢獻。

諾貝爾獎公布之後，知社第一時間連線加州理工學院陳雁北教授，以下是陳教授的感言：

我認為引力波探測是一個非常重要的工作，必須得獎！

從物理學本身來講，引力波是廣義相對論特別重要的一個預言。在廣義相對論中，引力產生於「時空」的彎曲，而引力波，是時空彎曲度在宇宙中的傳播。只有在實驗上確立引力波的物理性質，才能完整的驗證廣義相對論。之前雖然也有天體物理觀測驗證了雙星系統會因為輻射引力波而損失能量，這次的直接探測，不但說明了引力波的確會在時空中傳播，並且也驗證了引力波和實驗室中的光和物質的相互作用。

引力波在引力理論中的地位，就好比光在電磁理論中的地位。引力波探測的成功，讓人類發現了一種新的「光」，可以用全新的方法來觀測宇宙。過去的四次對引力波的探測，基本確立了波源是雙黑洞碰撞。黑洞，是一種非常重要的天體。研究黑洞，不但可以讓天文學家更好的了解恆星、星團和星系的演化，也讓物理學家可以研究黑洞附近高度彎曲時空中的現象，窺探到宇宙最早期的雛形，從而悟出更深刻的物理規律。

雖然引力波是愛因斯坦在1916年就在數學上推導出的一個結論，但是就算是天才的愛因斯坦，也完全沒法想像今天引力波探測的成果。在1916年，人們不知道太陽和其他恆星為什麼會發光，所以根本沒法想像它們在燃料耗盡之後，會形成黑洞這樣奇妙的物體---那時候，人們也不知道有銀河以外的星系，所以他們完全沒法想像到今天所觀測到的引力波源。在1916年，愛因斯坦還沒有提出原子受激輻射的概念，距離激光的發明還非常遙遠，很難想像人類今天對物體位置測量的靈敏度。後來半導體技術對科學儀器的推動，以及信息科學的發展，也是引力波探測所不可缺少的。所以說，今天的諾貝爾獎，也是這一百年來人類文明發展最好的見證。

我認為Kip Thorne得獎是名至實歸的。Kip Thorne是「黑洞之父「John Wheeler的學生，很早就非常受學術界的推崇。他在博士期間，主要是研究星體在引力作用下塌縮，並且協助Wheeler等人確立了，質量足夠大的恆星會最後塌縮為黑洞。Kip在30歲就成為了加州理工學院的正教授，33歲就當選美國國家科學院的院士。在上世紀60年代末開始，Thorne帶領學生們研究黑洞附近的廣義相對論天體物理，但是他總覺得自己做的不夠好，有些辜負大家的厚愛。他從70年代開始研究引力波，歷經了40年，終於才成功。在這40年中，Kip帶領他的學生和博士後，開創了一些列研究方向，為引力波研究奠定了全面而又紮實的理論基礎。Kip不但自己堅信引力波探測會最後成功，也是一個非常具有感染力的呼籲者，這對引力波探測的成功也是至關重要的。

LIGO裡面的中國面孔

2009年LIGO科學合作組織接受清華大學為正式成員。清華團隊著重採用先進計算技術提高引力波數據分析的速度和效率，參與了LSC引力波暴和數據分析軟體等工作組相關研究。清華大學信息技術研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威是清華大學LIGO工作組負責人，其他四位成員署名分別為：Z. Du、X. Fan、X. Guo、X.Wang。

陳雁北，加州理工學院物理學教授，美國物理學會會士。2003年在Kip Thorne指導下從加州理工學院獲得博士學位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。范錫龍，湖北第二師範學院物理學副教授，中國引力與相對論天體物理學會會員。2006年-2007年訪問德國馬普所引力物理研究所1年，跟隨陳雁北、溫琳清等人學習。2008年在朱宗宏教授指導下獲得北京師範大學碩士學位。2012年獲得義大利里雅思特大學博士。曾獲得英國皇家學會「 Newton International Fellowships 」和中國國家自然科學基金資助。

陳雁北在加州理工學院從事理論物理的研究。他把量子光學和統計物理應用到引力波探測器上，研究量子漲落和熱漲落對於干涉儀靈敏度的影響，以及如何設計出雜訊更低、更靈敏的儀器。在廣義相對論方面，他主要研究如何從引力波信號中提取有關黑洞附近時空幾何的信息。

溫琳清1992 年從中國科學技術大學物理系畢業後，在麻省理工學院獲得博士學位，其後在加州理工學院和德國馬普重力研究所從事引力波探測的研究。從2007年至今，溫琳清一直是西澳大學物理系引力波數據分析與高性能計算團隊的領導人。在美國新一代引力波探測器（aLIGO）的運作中，她的團隊在線運轉實時探測，獨立驗證了這次舉世矚目的第一個引力波探測。

引力波的直接觀測

根據愛因斯坦的相對論，質量會產生時空彎曲，而大質量物體運動時，時空曲率變化會以光速像波一樣向外傳播，這就是引力波。雖然引力波在1916年就被預言存在，但其觀測極其困難，連愛因斯坦自己都不相信能夠在實驗上直接觀測到。即使是天文上的劇烈事件，其產生的引力波到達地球時強度振幅數量級也已經降低至10^-21。在這樣的量級上，雜訊的干擾也會對引力波觀測造成極大困擾。

GIF/1K

引力波示意圖：時空波紋

雖然直接觀測非常困難，但是引力波的存在已有一些間接證據，其中最著名的是脈衝雙星的發現。第一個對引力波進行直接探測的實驗裝置由美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯研製，但限於靈敏度，並未提供出令人信服的引力波探測的實驗證據。現代最主要的引力波探測裝置是採用激光干涉儀，其中最具代表性的是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。

最早的引力波探測器是韋伯製作的棒狀探測器，也被稱為韋伯棒，探測器為鋁製實心圓柱，長2米，直徑1米。

2015年9月14日，LIGO位於利文斯頓和漢福德的兩個激光干涉儀幾乎同時觀測到引力波信號。索恩弟子，加州理工學院陳雁北教授曾為知社撰寫專題報道並答疑，點擊可以閱讀

LIGO簡介

LIGO全稱是激光干涉引力波觀測台，是用於觀測引力波的大型天體物理學實驗裝置，由兩個相距3000千米的獨立干涉儀組成：一個位於華盛頓州的漢福德，另一個位於路易斯安那州的利文斯頓。每個干涉儀有兩個組成L型的長達4千米的臂。負責LIGO運行操作的LIGO 實驗室則由加州理工學院與麻省理工學院聯合組成。LIGO也是NSF歷史上資助規模最大，最具雄心的科學項目。

1984年加州理工學院和麻省理工學院簽署協議，共同設計與建設LIGO，總部設在加州理工學院，由德雷弗（Drever），魏斯（Weiss）和索恩（Thorne）共同領導。1989年LIGO的建設提案正式提交美國國家科學基金會。提案設想LIGO將建在兩個地址，將按現有技術裝備初級靈敏度的干涉儀，其靈敏度將有可能觀測到引力波，隨後再對干涉儀靈敏度進行升級，提高其觀測到引力波的幾率。事實證明，這個「兩步走」的策略對LIGO在2016年的成功起到了至關重要的作用。1990年基金委員會審查並批准了LIGO建設計劃，並在1991年由國會撥付LIGO第一年的基金。

LIGO 漢福德干涉儀

LIGO利文斯頓干涉儀

1997年時任LIGO主管的Barish對LIGO組織作出重大調整，把它分為兩部分：（1）位於加州理工、麻省理工、漢福德以及利文斯頓的LIGO實驗室，將繼續負責運轉干涉儀以及後續升級的研究工作；（2）LIGO科學合作組織(LSC)，將負責組織協調LIGO的技術、科學研究以及數據分析，並使LIGO能夠包括除加州理工和麻省理工之外的科學家。至2016年，LSC已經發展為包括來自15個國家的約1000名科學家和75個機構。2007年LSC和歐洲引力波觀測台VIRGO（位於義大利比薩附近）建立合作關係，兩個組織的科學家將共同分析來自LIGO和VIRGO干涉儀的數據。

2005-2010年間，LIGO搜尋了可能的引力波源但並沒有找到引力波的蹤跡。進入新世紀後，在繼續觀測的同時，LIGO開始計劃和準備進一步升級干涉儀。2008年NSF資助了升級版干涉儀的建造。2008-2010年升級版LIGO的部件在GEO和澳大利亞ACIGA的大力支持下建造完成。2015年初兩個升級版干涉儀都已開始運行。

2015年9月14日，在愛因斯坦預測引力波存在近100年以後，升級版LIGO第一次觀測到引力波。

2015 年12 月26 日凌晨3 點38 分53 秒，在時隔三月之後，科學家們通過LIGO第二次觀測到引力波，兩個別為14.2 和7.5 倍太陽質量的黑洞相互繞轉併合，最後併合生成有20.8 倍太陽質量的黑洞。

而在上周，9月27號，位於美國的LIGO和位於歐洲的Virgo聯合宣布同時探測到人類觀測的第四個引力波。這也是首次LIGO之外的探測器觀測到引力波，意義重大。

索恩專訪

去年，我們見證了LIGO發現引力波的新聞發布會，索恩就坐在其中。對於大多數人來說，引力波進入視野不過幾個月的時間。而對於索恩來說，早在1984年，他就作為聯合創始人開始為LIGO項目的啟動而奔走。時隔三十餘年，也就是2015年9月14日，那令人難以置信的消息終於傳來。人們為之興奮，但恐怕沒有人能夠真正體會到索恩的心情。

「當我們從70年代開始籌劃引力波探測項目時，我就知道，這一天終究會到來。我曾經非常確定我們最先看到的將會是雙黑洞的碰撞。回首過往的努力，我非常滿足。」

在發現引力波的消息公布後，我們曾發布《觀察家報》對索恩的專訪，讓我們看看這位老人家又是如何看待這一切的。

Q：首先，愛因斯坦的廣義相對論到底是什麼呢？

它是所有物理學定律的框架和準則，除了量子定律。有人可能會說：「這是愛因斯坦關於引力的理論」，實際上遠不止如此。他創造這一理論是為了解釋引力，但實際上這個理論的作用遠遠超出了預期。它告訴你自然界中所有其他定律是怎樣被納入時間與空間的。

對於經典領域來說，這是描述大自然的最精確的方法。那些微觀世界的事情另當別論，比如分子和原子級別。

Q：愛因斯坦的理論與引力波有著什麼關係呢？

愛因斯坦是在1905-1915年那段緊張工作的時期完成了他的相對論。理論的最終完成是在1915年11月，到今天剛好100年多一點。在那之後，他開始運用他創造的這些理論來思考與預測問題。他所做的最重要也是最後一個主要預言就是引力波的存在。1916年6月，他做出了這一預測，現在正好是一百周年。

愛因斯坦仔細思考了這一預測，審視了當時的技術條件，研究了宇宙中產生引力波的條件，最終得出判斷，我們無法找到引力波。我們沒有足夠精確的技術進行探測。

然而他錯了，去年9月，我們首次成功探測到了引力波。

Q：從愛因斯坦提出的預測到最近引力波的發現，期間引發這一突破的轉折點是什麼？

我想這其中有幾個重要節點。最關鍵的兩個轉折點來自兩個關鍵人物。首先是約瑟夫·韋伯，他在1960年左右設計出一個看起來能夠捕捉到引力波的方法，並且開始努力尋找它們。他是第一個質疑愛因斯坦論斷的人，認為我們可以實現探測引力波的技術。韋伯並沒有見到引力波，他一度認為自己看到了引力波，但實際上並沒有，真實的引力波比他設想的要更弱。但是他打破了這種「不可能」的觀念，激勵了很多人，其中就包括我。

第二個轉折點是麻省理工學院萊納·魏斯(Rainer Weiss) 的發明。其想法的萌芽源於俄羅斯的 Mikhail Gertsenshtein 和 Vladislav Pustovoit。魏斯發明的這項技術正是我們目前所在用的，這不同於的韋伯的方法。我們稱之為激光干涉儀引力波探測器。發明了這個技術後，魏斯分析了主要干擾因素，並給出了應對策略。1972年，他提出了供進一步設計的藍圖。這份藍圖已經經過了一些調整，是一個真正經得起時間考研的設計。這是最大的轉折點。

有趣的是，萊納非常謙虛，他覺得在探測到引力波以前，他不應該在常規刊物上發表這些東西。所以他選擇在麻省理工的內部報告上發表了他的文章，那是我所讀過的最具技術含量的一篇硬貨。

Q：既然引力波已經被探測到，那麼下一步會是什麼？

這僅僅是個開始。當伽利略把他的光學望遠鏡瞄向太空時，才開啟了現代光學天文學，也打開了宇宙的第一扇電磁窗口：光。我們常用「窗口」這個詞來描述尋找具有一定波長的輻射的那些技術。上世紀40年代，射電天文學誕生，人們開始尋找無線電波；60年代，X射線天文學誕生；70年代，伽馬射線天文學誕生。紅外線天文學也是在60年代出現的。

很快，我們就擁有了這麼多扇不同的窗戶，通過他們可以尋找不同波長的電磁波。通過射電望遠鏡和X射線望遠鏡來觀察宇宙，其面貌與只用光來看有很大不同。而引力波天文學也意味著同樣的事情。

Q：引力波會被用來探索宇宙嗎？

這正是我們目前在LIGO做的事情。我們已經公布了關於雙黑洞碰撞的發現。今後還會發現更多的現象。不過我們是通過具有一定振蕩周期的引力波探測到這些現象，大概幾毫秒的周期。在未來20年中，我們將觸及那些周期達幾個小時的引力波。

不過，通過那些在太空中運行的類似LIGO的探測器，我們很可能在未來5年內就看到震蕩周期達幾年的引力波，這需要涉及射電天文學中的脈衝星計時。

而在未來5到10年中，我們很可能會看到周期接近宇宙年齡的引力波，它們在太空中留下的印記就是我們所說的宇宙微波背景輻射。

在接下來的20年里，我們將打開四個不同的引力波窗口，分別探測一些不同的東西。我們會探測宇宙的起源，也就是所謂的「宇宙暴脹」；我們將研究基本作用力的誕生和發展，我們會通過引力波來檢視它們在於宇宙之初的狀態；我們還將探測更大的黑洞碰撞，觀察星體是如何被黑洞撕碎的……

在未來的幾百年，我們將看到各種以前從未見過的美妙事物。

現在，僅僅是個開始。