時空漣漪「攪動」物理學界熱議 美國三巨頭因引力波發現而獲得諾貝爾物理學獎
歡迎點擊「中國科學報」關注我們！
華盛頓州漢福德LIGO觀測台圖片來源：LIGO Laboratory
兩年前，物理學家第一次發現，當兩個黑洞相互旋轉合併時，就會在空間中形成無限微弱的漣漪。發現這樣的引力波實現了愛因斯坦1個世紀前的預言，並開啟了探索宇宙的一種全新方式。今天，這一重大實驗的三位領導者獲得了諾貝爾物理學獎。
麻省理工學院85歲的Rainer Weiss和加州理工學院77歲的Kip Thorne在1984年共同策划了激光干涉引力波天文台（LIGO）的觀測計劃。加州理工學院粒子物理學家、81歲的Barry Barish隨後指導了分別位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的兩個LIGO觀測站的建設。
Weiss將獲得900萬瑞典克朗（110萬美元）獎金中的一半，Thorne和Barish將分享另外一半。而LIGO的第三位創建者Ronald Drever於今年7月7日在愛丁堡去世，享年85歲。（諾貝爾獎不授予已去世的人。）
其他物理學家也認為，引力波的發現是物理學史上最重要的發現之一。「它是革命性的。」哈佛大學理論物理學家Abraham Loeb說，「我們非常罕見地打開了宇宙的一扇全新窗口。」
然而，Weiss卻說，他覺得獲得這個獎項有點尷尬。「為了從一開始（我們）就非常樂意去做的一件事而收錢有點不像話。」他說，「我覺得對它最好的理解是，我們代表了那些讓LIGO成為現實的更大的群體。」Weiss表示，他已安排將獎金捐贈給麻省理工學院以幫助支持學生。
引力波的整個概念有些令人費解。1915年，阿爾伯特·愛因斯坦在其廣義相對論中解釋說，當質量和能量扭曲時空時就會引力產生，導致自由落地的物體沿著彎曲的軌跡運動。一年後，他預言，像杠鈴一樣快速轉動的兩個天體——如兩個相互呈漩渦狀旋轉的黑洞——會在太空中輻射出漣漪，並以光速在宇宙中傳播。
探測到極微弱的引力波是一項挑戰。LIGO每個「L」形的干涉儀就像一對垂直的尺子一樣。一個經過的引力波通常會讓這兩個4公里長的「手臂」以不同長度拉伸，通過對比在手臂上前後移動的激光，物理學家可以探測到輕微的差別性拉伸。LIGO干涉儀就會以相當於一個質子直徑1/10000的長度探測到其中的差異。
Weiss是一名爐火純青的發明者，一度曾從大學退學，他並非想到用干涉儀探測引力波的第一人。上世紀60年代，美國物理學家Robert Forward為這項任務建立了一個小型的干涉儀。
然而，Weiss對這個問題進行了更徹底的分析，並認識到需要進行長達數公里的干涉儀。他還指出了外來噪音的主要來源，並在1972年未發表的一項報告中解釋了如何處理這些噪音，這成為LIGO的基礎。
經過最初的懷疑之後，Thorne開始支持這個項目，並敦促加州理工學院在1979年僱傭Drever開展引力波研究。康奈爾大學理論物理學家Saul Teukolsky表示，Thorne也塑造了LIGO的科學目標。
例如在早期，許多物理學家認為引力波最可能的來源是超新星爆炸。Thorne意識到，相互旋轉的成對中子星或黑洞可能是更強有力的來源，並鼓勵實驗者們選擇LIGO探測它們。Thorne還敦促物理學家彙集大量的數值模擬，從而幫助在數據中發現潛在的信號。
如果說是Weiss和Thorne構思孕育了LIGO，那麼Barish則使它成為現實。1994年，他接手了這個項目的領導權，當時該項目被擱置，美國國家科學基金會也在考慮取消該項目。Barish擴大了LIGO的合作範圍，做了關鍵的設計改變，並在2005年卸任之前看到了這個項目通過建設。
「如果沒有他的領導，LIGO就不會存在。」加州理工學院物理學家、LIGO項目最初成員之一Stanley Whitcomb說，「這是Rainer和Kip無法做到的。」
Barish也表示，他不知道應該如何看待這個獎項。「這個項目如此多的工作是團隊努力的結果，對個人的認可總讓我有些矛盾的感覺。」他說。
如果Drever還活著，很多物理學家認為，他將分享此次獎項，儘管他的性格使他在1990年被趕出了LIGO項目。Whitcomb說，Drever參與了LIGO若干關鍵要素的設計。但他不像Weiss和Thorne那樣謙遜。
「對Kip和Rainer來說，這是件殘忍的事情，因為他們在接下來的日子裡需要受人矚目。」Whitcomb說，「而這對於Ron來說同樣是件殘忍的事情，因為他本可以獲得這一榮譽。」
LIGO似乎正在兌現它的承諾。第一個發現揭示了恆星大小的黑洞的合併，其規模比理論物理學家認為的大得多。上個月，研究人員宣布發現了第四次黑洞合併，這一次不僅是LIGO的兩個探測器發現這一事件，歐洲首次登場的探測器——位於義大利比薩附近新升級的Virgo探測器同樣觀察到了這一事件。
有傳言稱，LIGO已發現了兩顆中子星在激烈的爆炸中合併，而且傳統望遠鏡也觀測到這一事件。這樣「多信源」的天文學研究將可以對無數天體物理學現象提供前所未有的洞察。
Weiss指出，LIGO尚待交付的將是驚喜。「我們尚未發現完全不能解釋的事情。」他說，「我希望那將會發生。」（馮維維編譯）
請按下方二維碼3秒識別
※2017諾貝爾物理學獎：Drever去了，Barish來了！
※他用科研生命向世人詮釋，只專註一件事的人生可以如此輝煌
※當心你的化學試劑
※美國實驗發現新的中微子反應
※千辛萬苦做的結果，該如何寫文章
TAG:中國科學報 |