知識點！帶你解讀新鮮出爐的諾貝爾物理學獎：探測引力波為人類探索宇宙打開新的窗口

瑞典皇家科學院3日宣布，2017年諾貝爾物理學獎授予LIGO科學合作組織的三位先驅和重要領導者雷納·韋斯（Rainer Weiss）、吉普·索恩（ Kip S. Thorne）和巴里·巴瑞希（Barry C. Barish），以表彰他們帶領LIGO項目走向成功並直接探測到了引力波。三人將共享900萬瑞典克朗（約合人民幣738萬元）。

引力波的發現證明了廣義相對論的正確，也為人類觀測宇宙開闢了一扇新窗。記者3日採訪了中國科學院上海天文台劉慶會研究員，劉慶會說，從光學望遠鏡，到射電望遠鏡，再到引力波探測器，科技的不斷進步將幫助人類發現宇宙越來越多的秘密。

引力波：時空的漣漪

引力波被比喻為時空的「漣漪」，是加速中的質量在時空中所產生的波動。早在1916年，愛因斯坦根據廣義相對論，就預言了引力波的存在：引力是由於質量所引發的時空扭曲所造成，任何有質量的物體加速運動都會對周圍的時空產生影響，其作用的形式就是引力波。

2015年9月，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）在經過多年努力後，終於第一次直接探測到引力波信號——這些引力波來自兩個黑洞的相撞，它們經過13億年的長途跋涉才到達地球。2016年2月11日，科學家們正式宣布了這一發現，引起巨大轟動，當時即被稱為「諾獎級」的發現。

LIGO提供的引力波模擬圖

引力波是愛因斯坦廣義相對論中最重要但一直未被證實的預言，是物理學王冠上一顆耀眼的明珠。成功探測到引力波，是人類認知史上具有里程碑意義的科學發現。LIGO執行主任大衛?瑞茲表示，正如望遠鏡開闢了現代觀測天文學，引力波的發現開闢了觀測宇宙一扇新窗。

目前人類已經成功探測到4次引力波信號，最近的一次就發生在不久前。今年9月27日，LIGO和歐洲「處女座」（Virgo）引力波探測器團隊聯合宣布，他們共同探測到了一個新的引力波事件。除LIGO和「處女座」外，歐洲和日本還有其他團隊也在從事引力波研究。我國中山大學等提出的「天琴計劃」則計劃通過向太空發射衛星來探測引力波。

LIGO 的劃時代意義

劉慶會說，伽利略發明了光學望遠鏡，人們得以通過光線觀察宇宙；射電望遠鏡則使觀測輻射成為探索宇宙的又一途徑。然而，如果要探測黑洞，或是宇宙誕生之初，那既沒有光又沒有輻射的環境，該怎麼辦？現在，在傳統的電磁波天文學無能為力的領域，我們可以靠LIGO等引力波探測裝置來獲得新發現了。

實際上，早在2014年，就有美國科學家宣布發現了原初引力波留下的微波背景輻射。雖然後來因為不能排除其他因素的干擾而夭折，但科學家普遍認為宇宙大爆炸和隨之而來的「暴漲」，必然在時空中留下原初引力波的痕迹，等待人們捕獲，揭開宇宙誕生之初的秘密。

科學家多年苦苦追尋引力波，投入了大量智慧和汗水，直到去年才獲突破，實在是因為探測引力波對精度的要求太高了。LIGO是用激光干涉的方法來探測引力波的：當引力波經過時，時空的伸縮使探測器兩條長臂的距離一條增大，另一條減小，激光就會出現干涉條紋。「激光的波長很短，要完成實驗目標，對科學裝置的建設提出了極高的要求。」劉慶會說。

目前的LIGO干涉儀由兩條分別長達4公里並且互相垂直的干涉臂構成。沿著每條臂傳播的激光束在末端反光鏡（懸掛的測試質量）處被反射。在建設過程中，相關裝置都實現了高精度和高穩定性。

LIGO的一個探測器

另一方面，利用射電望遠鏡對脈衝星進行計時觀測也能對引力波探測做出貢獻。美國科學家曾利用射電望遠鏡觀測脈衝雙星，獲得了引力波存在的間接證據，這一發現獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

為廣義相對論補上失落百年的證據

愛因斯坦曾經斷言引力波使不可探測的，但科學家在一個世紀後終於成功捕獲了引力波，使之從理論成為現實。

LIGO科學合作組織成員、德國馬普引力物理所的胡一鳴說，探測到引力波使廣義相對論的幾個重要預言得到證實。廣義相對論認為，時空命令物質如何運動，而物質引導時空如何彎曲。當物質在時空中運動時，就會產生引力波。愛因斯坦說，當一列引力波向你迎面走來時，你會忽而又高又瘦，忽而又矮又胖，並且循環往複。引力波作為廣義相對論的一個重要推導，其真實存在成為廣義相對論正確的一個重要證據。

對引力波的探測還同時證明了質量幾十倍於太陽的黑洞的存在。目前人們探測到的引力波都來自黑洞的合併。如LIGO首次探測到的引力波，是由距離地球13億光年之外的兩個黑洞合併產生的，質量大約分別是太陽質量的29和36倍。13億年前，大約3倍於太陽質量的物質在短短一秒之內被轉化成引力波，其功率峰值是整個可見宇宙總功率的50倍。

引力波的成功探測，意味著人類已經通過時空本身的擾動來探索宇宙的奧秘。未來，還有大量的新發現在等待著我們。

【獲獎人簡介】

基普·索恩（Kip Stephen Thorne）

基普·索恩（Kip Stephen Thorne），1940年6月1日出生在美國猶他州的洛根市，現年77歲。父親維恩·索恩是農藝學專家，母親艾莉森·索恩是經濟學家。索恩早年在學術道路上順風順水，成為了加州理工歷史上最年輕的正教授之一。他於1962年獲得加州理工的學士學位，在1965年獲得普林斯頓大學的博士學位。1967年索恩回到加州理工被聘任為副教授，三年後晉陞為理論物理的教授。

雷納·韋斯（Rainer Weiss）

雷納·韋斯（Rainer Weiss），1932年9月29日在德國柏林出生，現年85歲。為了躲避政治動蕩，一家在1932年末搬家到布拉格，後在1938年搬家到美國。他年輕時在紐約市度過，曾就讀於哥倫比亞文法學校。他在1955年獲得麻省理工學士學位和1962年獲得麻省理工學院博士學位。他於1960至1962年執教於美國塔夫斯大學，1962至64年是普林斯頓大學的博士後學者，後於1964年加入麻省理工任教。

巴里·巴里什（Barry Clark Barish）

巴里·巴里什（Barry Clark Barish），出生在美國內布拉斯加州的奧馬哈，現年81歲。他在南加州長大，高中就讀於洛杉磯。1957年獲得物理學學士，1962年獲得加州大學伯克利分校的實驗高能物理的博士學位。1963年他加入加州理工。巴里什在美國自然科學基金會國家科學委員會批准資助該項目中發揮了重要作用，並對LIGO的建造和交付使用發揮了重要作用。他還創建了LIGO的科學合作組織（LIGO Scientific Collaboration），目前全球的合作者已經超過1000個。

近十年諾貝爾物理學獎情況

2016年諾貝爾物理學獎被授予David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J.Michael Kosterlitz以獎勵他們在拓撲相和拓撲相變方面的傑出貢獻。

2015年諾貝爾物理學獎被授予日本科學家梶田隆章和Arthur B. McDonald以表彰他們分別發現了大氣中微子和太陽中微子的振蕩，證明了中微子有質量。

2014年諾貝爾物理學獎被授予日本科學家赤崎勇、日裔美國科學家中村修二（60歲）及日本科學家天野浩。他們開發了藍色發光二極體（LED），使節電的高亮度照明器材成為可能，極大改變了人們的生活，並因此受到高度評價。

2013年諾貝爾物理學獎被授予比利時理論物理學者Fran?ois Englert和英國理論物理學家Peter W. Higgs，兩人因預測被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子的存在而獲獎。

2012年諾貝爾物理學獎被授予法國科學家Serge Haroche與美國科學家David J. Wineland，兩位物理學家分別因為在量子光學領域束縛並用原子操控光子的量子態和束縛並用光子操控帶電離子的量子態而獲獎。

2011年諾貝爾物理學獎被授予Saul Perlmutter, 以及Brian P. Schmidt 和Adam G. Riess一組合作者，表彰他們通過觀察遠處超新星發現宇宙的加速膨脹。

2010年諾貝爾物理學獎被授予英國曼徹斯特大學科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯是目前已知材料中最薄的一種，被普遍認為會最終替代硅，從而引發電子工業的再次革命。

2009年諾貝爾物理學獎被授予英國華裔科學家高錕及美國科學家Willard S. Boyle和George E. Smith。高錕在「有關光在纖維中的傳輸以用於光學通信方面」取得了突破性成就。後兩者發明了半導體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像感測器。

2008年諾貝爾物理學獎被授予美國科學家Yoichiro Nambu和兩位日本科學家小林誠、利川敏英。Yoichiro Nambu因為發現粒子物理中的對稱性自發破缺機制而獲獎，日本科學家小林誠、利川敏英因發現對稱性破缺的來源而獲此殊榮。

2007年諾貝爾物理學獎被授予法國科學家Albert Fert和德國科學家Peter Grünberg，表彰他們先後獨立發現了「巨磁電阻」效應。

（資料來源：中科院物理所）

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