理論和實驗的終極融合：引力波獲贏得2017年諾貝爾物理學獎

【博科園-科學科普】北京時間2017年1月3日諾貝爾物理學獎揭曉，獲獎者是雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）以表彰他們在引力波的研究和發現上做出的開拓式貢獻！

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計算機模擬利用Kip Thorne和其他許多人開發的先進技術讓我們得以模擬出由合併黑洞產生的引力波所產生的預測信號。圖片：Werner Benger, cc by-sa 4.0

廣義相對論預言引力波100多年的時間裡於2015年初探到引力波信號，2017年的諾貝爾物理學獎頒發給了Rainer Weiss(1 / 2獎金)、Kip Thorne(1 / 4獎金)和Barry Barish(1 / 4獎金)。韋斯最初設想一位實驗者使用干涉為，索恩理論家曾幫助梳理各種天體物理現象產生的信號，巴里什領導LIGO的大師在1990年代及以後的發展至關重要，然而他們只是參與計劃、建造和LIGO協作的眾多參與者中的三個，這是2015年第一次直接探測到引力波的漣漪。

儘管所有的榮耀都要追溯到1000多名LIGO的成員在其40多年的歷史的努力和貢獻，但從實驗上探測引力波的故事可以追溯到更遠的時代。2017年的諾貝爾獎是理論和實驗工作的高潮，可一直追溯到愛因斯坦。

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2015年地球上第一次探測到太空中的「漣漪」，這是由強大的引力場產生的。這標誌著諾貝爾獎歷史上科學發現與諾貝爾獎之間最短的時期之一，儘管LIGO在這方面研究了40年。圖片：LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team

當廣義相對論第一次發表時提出了一種看待宇宙的新方法：在時空結構中存在物質和能量。物質和能量告訴時空如何彎曲，彎曲的時空依次告訴物質和能量如何運動。這個新理論產生的一系列原因很快就得到了解釋，其中也包括黑洞的存在，這一事實即質量像一個引力透鏡，需要一個膨脹的或收縮的宇宙，以及一種新型輻射的存在——引力輻射。當一個巨大的粒子穿過空間的時候，曲率從一個點改變到另一個點，它別無選擇只能發射引力波來保存能量和動量，但這些過程細節要求得到解決解釋。

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隨著來自遙遠引力波的空間漣漪穿過我們的太陽系，包括地球並會稍微壓縮並擴大周圍的空間。在2010年中期第一次成功地發現了它們。圖片：European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

愛因斯坦本人第一次預測引力波是他的理論的結果，然後回溯並說服自己引力波不可能存在。在20年的反覆思考後，愛因斯坦在20世紀30年代與內森·羅森(Nathan Rosen)寫了一篇論文，認為引力波僅僅是廣義相對論的數學產物。這篇論文被《物理評論》(Physical Review)拒之門外，因為有四名科學家之一的審稿人霍華德·羅伯遜(Howard Robertson)在他們的作品中發現了嚴重的錯誤。

爭論持續到20世紀50年代，羅森認為引力波沒有能量，因此沒有物理作用。但費利克斯·皮拉尼(Felix Pirani)、理查德·費曼(Richard Feynman)和赫爾曼·邦迪(Hermann Bondi)證明了他們的做法，但現在的關鍵是預測和檢測到引力波？

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引力波在一個方向上傳播，在相互垂直的方向上交替擴張和壓縮空間，這是由引力波的偏振所定義的。圖片：M. P?ssel/Einstein Online.

在理論方面已經清楚地知道引力波的性質，它如何傳播，交替壓縮和擴大垂直方向的空間，以及攜帶多少能量。最強烈的波是在最強烈彎曲的太空時代，最快速的運動產生的最強烈的波：在像白矮星、中子星和黑洞這樣的坍縮的物體附近。

數字相對論的發展包括對牛頓定律的擾動膨脹，這些定律包含了這些強磁場效應，使科學家能夠計算出哪個系統會產生引力波，以及在很大程度上隨著超級計算機的發展，預測引力波波形的模型越來越多，也越來越精確。

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約瑟夫·韋伯的早期引力波探測器，圖片：Special collections and university archives, University of Maryland libraries

在實驗的最後約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)率先開創了探測引力波的系統：一系列在真空中放置的共振棒，對穿越太空的特定頻率的引力波非常敏感。儘管韋伯在20世紀60年代就聲稱發現了引力波，但他的研究結果卻無法重現，這與預測的波動範圍相去甚遠。

另外就是引力波的間接證據來自於脈衝星——快速旋轉的中子星和環繞其他中子星。當這兩個緊密的物質圍繞著彼此旋轉時，它們的周期就會衰減，那麼能量到哪裡去了？事實證明引力波是即能量被帶走的證據。

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在強彎曲的空間軌道上隨著多重質量的存在，通過這個彎曲空間的運動使能量以引力波的形式釋放出來。在LIGO直接探測到這些波之前的幾十年里對脈衝星時間的間接影響是很明顯的。這些空間的漣漪需要是真實的，而且需要攜帶真正的能量！圖片來源：美國航空航天局（L），馬克斯·普朗克射電天文學研究所/ Michael Kramer

羅素·赫爾斯(Russell Hulse)和約瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在24年前獲得了諾貝爾獎，因為他們在第一個雙星脈衝星上的研究成果是在20世紀60年代和70年代完成的。早在20世紀70年代LIGO的創意來自於此。

只要有引力波通過，空間會在一個維度上擴展，同時在一個垂直的維度上收縮來回振蕩，Rai Weiss最初設想使用干涉儀來檢測，並在早期設計和儀器技術中做出了不可思議的貢獻，維斯今年獲得了一半的獎金。

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美國華盛頓州的LIGO漢福德天文台檢測引力波是今天運行的三個運行探測器之一，以及位於洛杉磯利文斯頓的雙子座和現在在義大利在線運行的VIRGO探測器。圖片來源：加州理工學院/ MIT / LIGO實驗室

索恩是一名理論倡導者也是數字作品的先驅之一，可以讓各種系統如LIGO最終看到的合併黑洞產生引力波的預測。如果沒有對每個系統應該產生什麼信號的精確預測，就不可能知道在噪音中應該尋找什麼信號。與此同時巴里·巴里什(Barry Barish)是引力波探測器的主要建造者，也是把LIGO從一個想法轉變成令人難以置信的一系列天文台的推動力量。

1994年他接手了這個項目，讓這個搖搖欲墜的想法復活了，並把它變成了一組探測器，讓人印象深刻的是他們可以探測到10億光年之外的黑洞合併。索恩和巴里什分享了諾貝爾獎的另一半。

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雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）是2017年諾貝爾物理學獎得主。圖片版權：Nobel Media AB 2017

對引力波的探測不僅值得獲得諾貝爾獎，而且改變了我們對天文學中可能發生的事情的認識。在世界各地建立多個探測器，可以精確定位光源的位置，也可以檢測探測器之間的時間延遲，確認引力的速度等於光速，還可以測量信號的方向/偏振以及更多。

隨著引力波天文學變得越來越精確，越來越多的探測器的建造誕生，黑洞將在未來被探測到，隨著引力波天文學的越來越精確而可以探測到更低質量事件的合併。最終即使是中子星和其他發光的來源也會直接探測到它們產生的引力波，從而開啟了一個引力波和傳統的以望遠鏡為基礎的天文重疊的時代。

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Kip Thorne,Ron Drever和Robbie Vogt，LIGO的第一個領導者，從Barry Barish接手並把LIGO變成了令人難以置信的天文觀測站。圖片來源：加州理工學院檔案館

2017年諾貝爾物理學獎已經頒給了三位為科學事業做出傑出貢獻的人，但這個故事的意義遠遠不止於此。這是關於100多年來的所有在理論上和實驗上都對宇宙的精確運行做出了貢獻的人。科學不僅僅是一種方法，它是整個人類積累的知識，聚集並綜合起來的運用以更好的創造我們的人類文明！

作者：Ethan Siegel （天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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