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今天的诺贝尔本该有他的一份……如果他在世的话


来源:果壳网

原标题:今天的诺贝尔本该有他的一份……如果他在世的话 出品:科普中国  果壳网 作者:王爽 编辑:婉

原标题:今天的诺贝尔本该有他的一份……如果他在世的话

出品:科普中国 果壳网

作者:王爽

编辑:婉珺

2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip S. Thorne)和巴里·巴里什(Barry C. Barish),以表彰他们领导建设激光干涉仪引力波天文台(简称LIGO),进而首次直接探测到引力波的伟大成就。


但遗憾的是,有一位苏格兰的物理学家,与韦斯和索恩同为LIGO的三大创始人之一,却与这个最著名的科学奖失之交臂。他就是刚刚于今年3月7日去世的罗纳德·德雷福。如果他还在世,同样能分享这次的诺贝尔物理学奖。


LIGO三巨头的初相遇


罗纳德·德雷福

图片来源:quantumfrontiers.com


人生的前40年,德雷福过得相当平淡。他按部就班地在苏格兰的格拉斯哥大学念完了本科和博士,然后又留校任教。1969年是一个转折点。那一年,美国物理学家韦伯宣布他用“韦伯棒”探测到了引力波的存在(重磅!三个探测器同时探到引力波!为什么“三”如此重要?|王爽专栏)。这个消息激起了德雷福对引力波探测的强烈兴趣,并促使他在上世纪70年代初走上了引力波探测的道路。


与自己的学生詹姆斯•霍夫一起,德雷福建造了探测能力更强的“韦伯棒”。但经过数年的搜索,德雷福完全没发现任何引力波存在的迹象;由此,他意识到 “韦伯棒”其实没什么前途。


与此同时,越来越多人开始关注用“激光干涉仪”来探测引力波的新方法。这种新方法是麻省理工学院教授雷纳·韦斯在1967年给研究生上课的时候想到的。


激光在日常生活中很常见,那么我来讲讲干涉。只要是两列物理性质相同的波(如水波、声波、光波),都可以互相叠加,而且叠加过程遵循以下的规律。如果两列波是波峰对波峰、波谷对波谷地进行叠加,那就会形成更高的波峰和更矮的波谷。如果是波峰对波谷、波谷对波峰地进行叠加,那就会互相抵消。这种两列波互相叠加的现象就是干涉。


图片来源:维基百科


下图就是韦斯提出的用“激光干涉仪”来测量引力波的原理图。从一个固定光源(下端的长方体)发出的激光,在经过一个半透镜(绿色线段)后会分成两束激光,然后沿两个互相垂直的方向继续前进。被反射镜(左端和上端的两个青色长条)反射回来以后,它们会重新汇聚并发生干涉,而干涉图案将显示在右端的探测器上。正常情况下,汇聚后的两束激光应该峰谷彼此对应(紫色圆圈)。但是,如果有引力波(黄色区域)经过,半透镜和反射镜之间的距离就会发生改变(引力波使空间发生形变的细节见:重磅!三个探测器同时探到引力波!为什么“三”如此重要?|王爽专栏),那么汇聚后的两束激光就不会再峰谷对应,从而使干涉图案发生改变(空心圆圈)。换句话说,如果在没有其他因素干扰的情况下,突然看到激光干涉图案发生了改变,就说明这个激光干涉仪真的探测到了引力波。


图片来源:http://www.lindau-nobel.org


激光干涉仪有一个重要指标,那就是半透镜与反射镜间的距离,也就是激光干涉仪的臂长。臂长越长,探测到引力波的可能性就越大。


一开始,只有韦斯一个人相信这种方法能探测到引力波;为此,他还自己造了一个臂长1.5米的激光干涉仪。但在1975年的夏天,韦斯在一个学术会议上结识了加州理工学院教授基普·索恩。


那次会议在华盛顿特区召开。当时华盛顿的游人特别多,导致索恩没订上酒店。韦斯很好心,让索恩和他共住一室。在酒店房间里,他们进行了一番关于引力波实验的长谈。这次长谈使索恩打定主意,也要进入引力波探索的领域。


但索恩是一个理论物理学家,对实验方面的事务一点都不擅长。所以,他必须找一个实验物理学家合作。恰好那时,德雷福刚在格拉斯哥大学造出了一个臂长10米的激光干涉仪,这让索恩刮目相看。所以1981年,索恩就把德雷福挖到了加州理工学院教授,具体负责建造干涉仪的工程问题。


被迫离开LIGO,终与诺奖无缘


德雷福是一个技术天才,在激光干涉仪的很多关键技术上都做出了突破性的贡献。在德福雷的领导下,加州理工学院很快就造出了一个臂长40米的干涉仪,从而在与麻省理工学院的竞争中占了上风。


1984年,美国国家科学基金会(简称NSF)要求加州理工学院和麻省理工学院的两大引力波团队合二为一。这就是后来LIGO的雏形。而韦斯、索恩和德雷福则作为LIGO的共同创始人,担任LIGO的最高决策三人组。


但NSF不喜欢LIGO三人共治的管理模式。1986年,NSF撇开了这三大元老,直接指派时任加州理工学院教务长的罗克斯·沃格特(Rochus Vogt)来担任LIGO的项目负责人。


但德雷福很快就与沃格特出现了非常严重的分歧。德雷福主张循序渐进,应该先造臂长200米的干涉仪。而沃格特比较好大喜功,要直接造臂长40千米的庞然大物。由于性格和理念的不同,两人的矛盾逐渐变得不可调和。


1992年7月,沃格特向LIGO团队全体成员发了一封电子邮件,宣布德雷福已被开除,以后再也不准踏入LIGO办公楼半步。


当年9月,德雷福向NSF的学术自由委员会进行了投诉。这个委员会在10月给出了调查报告,承认把德雷福开除出LIGO团队是不合理的。但是,这份报告压根没提为德雷福恢复职位的事。


在引力波探测事业中居功至伟的罗纳德·德雷福,就这么被迫离开自己一手创建的LIGO。


不过沃格特也好景不长。1994年,表现不佳的沃格特被迫辞职。加州理工学院教授巴里·巴里希接替他,成了LIGO项目的新负责人。巴里希比较务实,提出要建臂长4千米的激光干涉仪。这个新方案终于得到了NSF的批准。这才成就了我们今天看到的LIGO。


后来,德雷福患上了老年痴呆症,住进了爱丁堡的一家养老院。2015年9月14日,LIGO首次直接探测到了一个被称为“GW150914”的引力波信号。这让德雷福与韦斯和索恩一起,拿遍了除诺奖以外的几乎所有重要的科学奖项。


但遗憾的是,今年3月7日,德雷福因病去世,因而与诺贝尔奖彻底无缘。


那些与诺奖失之交臂的大物理学家


与诺贝尔奖失之交臂的物理学大师远远不止德雷福一人。下面,我再举几个同样让人扼腕叹息的例子。


在德国的慕尼黑大学,有一位非常有名的理论物理学教授,名叫阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld)。作为量子理论和原子物理学的开山始祖之一,索末菲做出了一系列重要的科学贡献:他推广了玻尔的氢原子模型,提出了角量子数和自旋量子数的概念,还发现了精细结构常数。除此以外,索末菲也是一个非常了不起的老师:他的学生里,先后有7人拿到了诺贝尔奖。这让索末菲成了历史上培养出最多诺贝尔奖得主的老师。


阿诺德·索末菲

图片来源:维基百科

这样的大牛,自然就成了诺贝尔物理学奖的热门人选。事实上,索末菲曾先后81次被提名为诺贝尔奖的有效候选人,但却一次也没拿到诺贝尔物理学奖。据说他无法得奖的一个非常重要的原因是,量子力学教父波尔一直在反对他。


还有一个倒霉的量子力学先驱,他就是德国物理学家帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)。约当曾做过两个后来获得诺贝尔奖的科研工作。在1925年,他与海森堡和玻恩一起提出了量子力学的第一个版本矩阵力学;海森堡和玻恩分别于1932年和1954年获得诺贝尔物理学奖。而在1928年,他又与维格纳一起率先写出反对易关系,这成了量子场论和费米β衰变理论的基石;维格纳也于1963年获得诺贝尔物理学奖。


帕斯库尔·约当

图片来源:维基百科


尽管约当的合作者全都拿到了诺贝尔奖,但他却一直与诺奖无缘。事实上,约当也算是咎由自取,因为他在第二次世界大战期间加入了德国纳粹党。


最后讲一个两败俱伤的故事。相信很多人都听说过“宇宙大爆炸”理论。这个关于宇宙起源的理论,最早由比利时天文学家勒梅特提出,然后被俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)发扬光大。


乔治·伽莫夫

图片来源:http://georgeslemaitre.blogspot.hk/


这个理论认为,宇宙在创生之初是一团极度致密也极度炽热的火球;这团火球向外膨胀并逐渐冷却,最终演变成我们今天看到的宇宙。


伽莫夫宣称这个理论能解释今天所有化学元素都是怎么起源的。此外,他也预言那个火球会残留下来一些可以被观测到的古老光子,也就是著名的宇宙微波背景辐射。1965年,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,从而验证了伽莫夫的热大爆炸理论。这两人也因此而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。但解释了宇宙如何起源的伽莫夫本人,却没有获得诺贝尔奖。


伽莫夫没有获奖的一个重要的原因,就是剑桥大学教授弗雷德·霍伊尔爵士(Sir Fred Hoyle)的强烈反对。事实上,“大爆炸”这个名字,就是霍伊尔为了嘲笑伽莫夫的理论,而专门给它起的。在反对“大爆炸”理论的过程中,霍伊尔也做出了诺奖级的工作。


弗雷德·霍伊尔

图片来源:维基百科


霍伊尔发现“大爆炸”理论只能产生氢和氦这两种元素,后面的元素全都产生不了。那元素周期表中的一百多种元素又是从哪里来的呢?霍伊尔提出这些元素来源于恒星内部的核聚变,以及它们最终死亡时的大爆发。这个想法后来被霍伊尔在剑桥的同事威廉·福勒(William Fowler)发扬光大。由于这个贡献,福勒于1983年获得了诺贝尔物理学奖。但悲催的是,霍伊尔却没有获奖。


能获得诺贝尔奖的科学家,无疑都登上了科学的神坛。但不少没有得过诺奖的科学家,同样做出了一点也不逊于诺奖得主的科研工作,他们同样值得被后世所铭记。


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