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引力波拿诺奖了!这小小的颤动,竟能帮我们理解宇宙?


来源:果壳网

原标题:引力波拿诺奖了!这小小的颤动,竟能帮我们理解宇宙? 出品:科普中国  果壳网 编辑:Ent

原标题:引力波拿诺奖了!这小小的颤动,竟能帮我们理解宇宙?

出品:科普中国 果壳网

编辑:Ent 婉珺 晓岚 小米

2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三位主要成员:雷纳·韦斯(Rainer Weiss), 巴里·巴瑞希(Barry Barish), 吉普·索恩(Kip Thorne) ,以表彰他们直接探测到了引力波。


新鲜热评

文小刚(麻省理工大学物理学教授):


目前几乎所有的物理测量手段,都是通过电磁相互作用来观察我们的世界。引力波的探测,打开了一个观察世界的全新窗口。在这个新窗口中,我们通过引力相互作用中的引力波来观察宇宙中最猛烈的极端事件。这是一个新的天文学的开始。中国也应该有自己的引力波观测台。但中国自己的引力波观察台,应该有自己的想法,自己的新设计。仅仅是复制几个现有的引力波观察台,或加大一号,意义也许不是太大。



施郁(复旦大学物理学系教授,果壳网科学顾问):


LIGO探测到引力波是人类历史上最重大的发现之一。这个发现的意义不仅在于直接验证广义相对论和引力波的存在,更重要的还在于开启了对强引力、随时间变化的引力以及黑洞的直接观测,打开了认识宇宙的一个新窗口。在这之前,我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和高能粒子,而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息。


以前关于黑洞的信息都是间接的,所以原来黑洞的存在并没有被直接证实。现在LIGO通过直接探测引力波证明了黑洞的存在及其一些性质,比如面积不减,以及更细节的性质。


引力波的观测将会更加常态化,引力波天文学将会发展起来,其他引力波源,比如中子星并合、超新星爆发等等也会被观测到。


LIGO的成功同时也是精密测量的伟大胜利,也将进一步推动量子测量方面的研究。LIGO的成功还给大科学的运作提供了经验。


苟利军(中国科学院国家天文台研究员):


此次引力波之所以能够毫无悬念地获奖,是因为引力波直接探测在物理学当中的重要性。从物理科学本身的意义而言,引力波有助于帮助科学家们检验相对论的理论边界在哪里。往往一个理论失效的地方就是理论进行变革的机会。之前广义相对论在弱场中已经得到很多次的验证,但是在强引力之下的验证,在引力波之前却从来没有进行过。所以由双黑洞所产生的引力波的直接探测是对广义相对论在强引力环境下是否能够成立的一个非常好的检验,结果确认广义相对论是正确的。


另外引力波以光速传播,它与物质的相互作用非常非常的弱,通过引力波可以几乎无阻挡地看到宇宙大爆炸时候的图景,而这是无法利用我们熟知的电磁波来实现的。所以引力波是我们了解最早期宇宙的最好工具。


最后引力波也给我们提供了了解宇宙的另外一个全新维度。可以说之前仅仅是看到的宇宙的图景,却没有声音。引力波给探测宇宙的方式上增添了一个声音的维度,丰富了我们探索宇宙的方式。


目前,美国和欧洲的引力波天文台正主导着引力波的观测工作,随着LIGO探测的推进,中国的引力波研究也随之进入了一股前所未有的热潮。在理论研究的同时,中国也在积极推动直接探测引力波的望远镜项目。目前,太极计划和天琴计划这两个空间项目正各自推进,将于地面探测原初引力波的阿里计划已通过立项,正在建设之中。除此之外,中国还在研究如何利用刚刚建好的500米射电望远镜(FAST)和正在建设的平方公里阵(SKA),以脉冲星计时阵的方式探测宇宙天体所产生的引力波。


引力波研究之路漫漫其修远兮,还需众多科学家的一起努力。



李淼(中山大学天文与空间科学研究院院长,果壳网科学顾问):


LIGO最终探测到引力波是物理学界努力数十年的结果,其间有不少悲喜剧,例如试图探测引力波的第一人韦伯后半生的遭遇,LIGO创始人罗纳德·德雷弗不得不离开团队,最近又不幸去世。无论如何,LIGO的探测过程和结果都是史诗级的,不仅证实了自然界存在第二种基本波,同时为人类探测宇宙打开了一个全新的窗口。


温琳清(西澳大学物理系教授,LIGO科学合作组织团队成员):


引力波的发现可以说是本世纪物理学和天文学最重要的发现之一了。这次得诺贝尔奖是对所有的引力波研究人员几十年来坚持不懈所得结果的一个认可,更是对引力波研究领军人的智慧和凝聚力的最高嘉奖。


引力波的探测直接验证了爱因斯坦的广义相对论,让人类第一次探测到了双黑洞系统的并合和新黑洞生成的全部过程;最重要的是,引力波的探测为天文学打开了一个观察宇宙的全新窗口。引力波和传统电磁波结合的多信息观测是天文学的未来。我们在开始用全新的角度来看我们的宇宙各形态在强重力场下是如何运作,更直接地观测黑洞,更好地了解我们的宇宙的演化。


中国也是引力波探测国际合作团队的成员之一。我相信中国的引力波队伍会不断扩大。中国有无数的智慧青年,政府有意大力支持创新科研。如果有一天中国也像LIGO引力波合作团队一样,跨国界,跨学科,跨院校,跨种族,跨性别地团结起来,那就可以达到天时地利人和的境界了。那时,中国也许也会有属于自己的最新一代引力波探测器,也会走在世界前沿不断地展示引力波探测带来的科学技术的创新和人类对宇宙的最新认知。


曹军威(清华大学信息技术研究院研究员,LIGO科学合作组织理事会成员):


引力波探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦1915年发表的广义相对论的一个重要预言,并开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。


它开启了引力波天文学的新时代,形成引力波观测触发下的多信使天文学。


在中国,清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组参与了引力波直接探测并作出贡献。中国亟需自主建设引力波天文台、培养跨领域人才、加强国际合作,进而带动技术创新和科学发现,推动我国引力波研究的发展。


张双南(中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任,果壳网科学顾问):


这次的诺贝尔物理学奖有一个特殊的意义:百年的现代物理学,今天终于做了一个了断!

现代物理学建立的标志当然是一百年前建立的相对论和量子力学。随着量子力学以及基于量子力学的粒子物理标准模型的发展,相关研究在诺贝尔物理学奖历史上获奖层出不尽,相信以后还会有。这些诺贝尔物理学奖标志着量子力学走向了成熟,虽然今后还会发展,但是其正确性已经毋庸置疑。

与此形成鲜明对照的是,广义相对论建立一百年来虽然已经成为了现代物理学的主要部分,而狭义相对论更是和量子力学一起构成了现代物理的两个支柱,但是历史上不但爱因斯坦没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖,后来对于丰富广义相对论而做出了很多贡献的物理学家们也无人因此获得过诺贝尔物理学奖,这和量子力学以及相关的物理学研究的情况相比有天渊之别,这不能不说是物理学史和诺贝奖历史上的一个遗憾!

对引力波的直接探测的历史起于上世纪70年代,今天的LIGO项目的创始人之一Rainer Weiss(雷纳·韦斯)那时候就开始发展激光干涉探测引力波的技术,随后和加州理工学院的Kip Thorne(基普·索恩)以及当时英国格拉斯哥(Glasgow)大学后来加入了加州理工学院的罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)合作一起发起了LIGO实验(该实验是美国科学基金会有史以来投资最大的科学项目),历经30多年,终于获得了第一个正科学结果,也就是探测到了引力波!不但这个团队几十年来初心不变,而且资助机构也不离不弃,这绝对是科学史上的奇迹!

因此,2017年的诺贝尔物理学奖授予了LIGO实验直接探测到并且发现了引力波,不但是众望所归,而是也对百年现代物理学做了一个了断!从今往后,扩展广义相对论理论并且发展和量子力学统一的量子引力理论的研究将进入一个新的时代!

虽然这次的诺贝尔物理学奖对百年现代物理的发展做了一个了断,但是这对于引力波探测以及相关领域的研究却仅仅是一个开始。探测到引力波之前,人类对于宇宙的了解只是“看”,但是不能“听”;探测到了引力波,人类从此面对宇宙就不再是聋子了!

引力波将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。利用进一步的、更加高精度的观测,科学家有望回答黑洞到底是什么—这个连爱因斯坦都非常困惑的“奇点”,能够提供检验有些量子引力理论所需要的观测数据,能够帮助我们了解中子星的内部主要是由中子还是夸克组成的。

除了继续利用LIGO这样的仪器探测引力波之外,空间激光干涉引力波天文台(比如欧洲的LISA项目、中国的太极和天琴计划)将会“听到”完全不同类型的黑洞撞击并合所发出的引力波,这对于我们理解整个宇宙的结构形成和演化都会非常重要。而探测宇宙大爆炸前期的暴胀过程所产生的宇宙原初引力波(比如利用中国的“阿里”原初引力波探测计划),将对于我们理解宇宙的起源起着不可替代的的作用。

此外,未来引力波天文学的一个极为重要的方向就是所谓的“多信使”天文学,也就是不但要“听到”天体发出的美妙的引力波,我们也要“看到”这些天体的倩影!在这个方面,中国在太空和地面的天文望远镜都将能够发挥重要的作用,比如我本人担任首席科学家的慧眼HXMT天文卫星正在太空翱翔,时刻准备着“目睹”引力波发出的时候天体所发出的X射线和伽马射线!


慧眼HXMT于2017年6月15号11:00顺利发射运行。


慧眼HXMT示意图


引力波终于被捕获

2015年9月14日,百年前曾被阿尔伯特·爱因斯坦所预言的宇宙引力波第一次被探测到了。这些引力波来自两个黑洞的相撞,它们经过13亿年的长途跋涉才到达了美国的LIGO探测器。


引力波信号到达地球时已极其微弱,但足以有希望掀起一场天体物理学的革命。引力波是人类观测宇宙中最剧烈事件(黑洞融合)的全新方法,也是检验人类知识极限的新途径。


LIGO 汉福德台址鸟瞰。图片来源:LIGO Laboratory | 摄影:Corey Gray


由两个激光干涉仪组成的LIGO(激光干涉引力波天文台),是一个由来自超过20个国家、千余名研究者共同协作的项目。他们共同实现了近50年前的一个构想。2017年的三位诺贝尔奖得主以其热情与决心,各自对LIGO的成功做出了无价贡献。先驱者雷纳·韦斯(Rainer Weiss) 和吉普·索恩( Kip S. Thorne), 以及巴里·巴瑞希(Barry C. Barish),作为带领这一项目走向完成的科学家与领导者,使四十多年来的努力最终实现了引力波的成功观测。


20世纪70年代中期,雷纳·韦斯已经分析出了有可能会干扰测量的那些背景噪声的可能来源,并且还设计了一种基于激光干涉仪的检测器,可以克服这种噪音。从一开始,吉普·索恩和雷纳·韦斯都坚信,引力波可以被检测出来,并带来一场我们对宇宙认识的革命。


如何捕捉引力波。人类捕捉到的第一个引力波信号,来自13亿光年之外的两个巨大黑洞的剧烈合并。当这束引力波经过13亿年的漫长旅行,穿过地球的时候,已经发生了明显的衰弱:LIGO探测器探测到的时空扰动,比一个原子核的大小还要小上千倍。图片来源:NobelPrize.org


正如爱因斯坦在他的广义相对论中描述的那样,引力波以光速传播,并且在宇宙中无处不在。它们总是来自于有质量物体的加速过程,例如一个滑冰选手做足尖旋转运动或当两个黑洞绕着彼此旋转的过程。爱因斯坦曾确信引力波永远不可能被测量出来。LIGO的科研项目的成就是用一对巨大的激光干涉仪测量到了当引力波穿过地球时所引起变化,这个变化只有原子核的大小的千分之一。


两个黑洞在数千万年间相互绕转,不断地释放出引力波。它们之间的距离越来越近,最终在短短零点几秒的时间里猛烈碰撞,融合在一起,形成一个新的黑洞。融合瞬间释放的能量增强了引力波。13亿年后,我们在地球上听到的,就像是宇宙的啁啾信号在一瞬间的增强之后,戛然而止。图片来源:NobelPrize.org


到目前为止,各种各样的电磁辐射和粒子——例如宇宙射线或中微子——都已经被用来探索宇宙。然而,引力波直接证明了时空自身的扰动。这是完全崭新而且不同的东西,打开了以往无法看到的世界。大量的新发现都在等待着那些成功捕捉到这些波并且解读其中信息的人们。




雷纳·韦斯( Rainer Weiss)


雷纳·韦斯。图片来源:kavlifoundation.org


查阅雷纳·韦斯的履历,他在1962年至1964年期间曾在普林斯顿大学任职博士后。韦斯是出生于德国柏林。在二战前夕,作为一个犹太家庭,他们做出了一个明智的决定,逃离德国,来到了美国。可以说,以二战为标志,全球科研重心由欧洲,特别是德国,转移到美国的历史过程,一直延续到了今时今日,韦斯获得诺贝尔奖。


韦斯走上科研道路有着不少机缘巧合。不同于索恩的科研世家,韦斯的父母一个是医生,一个是演员,虽然也算书香门第,但是这个在纽约成长的少年并没有展现对科研的特殊天赋。韦斯展现出过人的实验动手能力是来自纽约电影院的一场火灾,突如其来的火灾使得剧院的扬声器成了无主之物;而二战结束后,许多原来军用管控的变压器、真空管等物资一下子堆积成山,搭配着这些满大街都能找得到的器材,他捣鼓出不少质量初中的无线电收音机,以及在高保真音响这个概念也许还没出线的时候,就捣鼓出了这么一个东西。凭借着这门手艺,他在纽约的犹太人圈子里小有名气,常常有人会慕名而来,通过他的收音机收听纽约爱乐乐团的演奏。韦斯有时候会开玩笑,说年少时的他如果没有选择科学,也许会成长为一个音响业大贾。然而驱使他走进大学,走上科学道路的,正是这段DIY的经历。他发现靠他半吊子的数学水平,总是无法解决自制留声机的刺耳噪声问题。直到进入麻省理工的理工科学习,才使他知其然,也知其所以然。


然而,他的大学生活并非一帆风顺,年轻气盛的韦斯在大学期间坠入爱河,并为了爱情冲动地选择退学。在当然,这是一个非常叛逆的行为。当然辗转之后,他还是回到了象牙塔。这段短暂的辍学经历,也使得他对于有着相似辍学经历的学生充满同情,并在后来破例录取了同样辍学于麻省理工、没有本科学历的大卫·舒梅克就读研究生。现在,LIGO科学合作组织的新闻发言人正是这个当时的辍学生。


韦斯是一个非常谦虚的人,在LIGO引力波探测使他接连斩获数个科学大奖,名利双收的时候,他却计划将绝大部分都捐出去,为研究生设立奖学金。实际上,当他获知引力波终于被探测的消息时,第一反应并不是欣喜若狂,而是长出了一口气:用激光干涉测量引力波的方案是他一手策划的,万一在哪里出了什么差错,就是上千人,上十亿美元跟着他瞎折腾了一回啊!


实际上,出了引力波的探测以外,韦斯在另一个诺贝尔奖级别的项目,COBE探测卫星上有着举足轻重的贡献。另外两位COBE卫星的倡导人利用宇宙微波背景辐射研究宇宙大爆炸,由于测量到宇宙微波背景的各向异性、开启了精确宇宙学的新时代,而于2006年获得诺贝尔物理学奖。他在基础天文物理实验的两个方向同时涉足,跨界性虽然不如索恩,也依然是一骑绝尘的开挂人生。

巴里·巴瑞希(Barry C. Barish)


巴里·巴瑞希。图片来源:Wikipedia | 摄影:R. Hahn


本来,LIGO早期的三巨头毫无争议地应该分数基普·索恩、雷纳·韦斯与罗纳德•德雷弗三人。这三个人在80年代LIGO概念提出并坚持到立项时,一直是作为最中坚的骨干,并作出了大量的贡献。然而,不幸的是,德雷弗在2017年3⽉月7⽇日,在苏格兰爱丁堡与世⻓长辞,享年85岁 。于是,诺贝尔奖的第三个名额,顺延给了巴里·巴里什。


历史总是惊人地相似。1993年,LIGO内部权力的转接,与当今的情景何其相似。90年代初期,美国国家自然科学基金投重金开工建造LIGO。随之而来的是不停的质疑,不少人怀疑这么多经费投入进去,究竟能否获得科学上的成功。从80年代建立并坚持下来的三人平等的共同领导小组,明显地感到了巨大的压力,并渐渐在下一代仪器升级计划等科学问题上有了分歧。很快,争议延生到了科学之外:德雷弗被禁止进入LIGO办公室。之后,虽然介⼊调查的委员会认定Drever遭受了不公正的对待,却最终没能再度领导LIGO前⾏行。由于⽭盾⽆无法调和,在NSF的要求下, LIGO更换了三人共同领导的政策,改由巴里·巴里什⼀人出任发言人,成为名义上的单独领导者。


巴里和韦斯同于1962年获得博士学位。在早些年的研究中,巴里利用高能中微子的碰撞揭示核子内部的夸克亚结构,最早地观测到弱中性流,称为弱电统一理论成立的一项关键证据。同时,他提议建造的MACRO探测器是探测重磁单极子的最灵敏实验。


作为一个粒子物理学家,他并没有参与LIGO的概念验证或早期建设,但是我们今天看到的LIGO与巴里的参与密不可分。实际上,在LIGO建设的早期阶段,主要的参与单位只有加州理工和麻省理工两家。正是在巴里的努力下,包含全球不同大学、研究组一同参与研究的LIGO科学合作组织开始成形。LIGO早年的三人领导小组由于内部不断有争论,导致问题多多,多年过去后发展缓慢。1994年,巴里接手LIGO时,LIGO项目由于内部离心而岌岌可危。1993年,美国自然科学基金甚至暂停了原计划的4300万美元的巨额投资。


巴里主管LIGO以后,很快地扩充团队,对组织结构进行了重新调整,并在几个月的时间内完善了美国自然科学基金想看到的具体工作计划。他修改了LIGO构架、调整了项目计划,特别是确立了两个台址聘用的长期研发团队以升级仪器。这些举措将LIGO的一期预算从原来的2.5亿美元拉高至2.92亿,但都一一获批。


在巴里手中,LIGO的组织文化发生了大变,有时候,这种工厂化的探测器运营理念让许多人无法接受而最终选择离开。1997年,LIGO科学合作组织在巴里手中得到确立。这一决定实际上并没有获得许多LIGO科学家的支持,他们担心大科学项目会逐渐吞噬这个领域。实际上也的确是这样的,但现在看来,这或许是更好的选择。


许多人认为,没有巴里就不会有现在LIGO的成功。在2016年诺奖揭晓前,就有不少科学家,甚至诺贝尔奖得主力荐,认为巴里应该也分享引力波探测带来的诺贝尔奖。命运真是一个奇特的东西:德雷弗的去世,是科学界的不幸,但也以人们意想不到的方式,解决了这个争议。

基普·索恩(Kip S. Thorne)


基普·索恩。图片来源:Wikipedia | 摄影:Keenan Pepper


这位出生于1940年6月1日的美国物理学家是一位性情中人,有着精彩的一生。在过往的岁月中,虽然在专业领域:广义相对论与引力理论方面有着举足轻重的影响力,但是他在普通人的认知中,知名度并不高。然而,细数他的过往,你会发现其实他其实也在不少著名的科学八卦公案中,充当了“龙套”的角色。从力倡LIGO的建立,到引领引力波的探测,并最终名至实归得到诺贝尔奖,大概终于使他走到了聚光灯下,承受全世界的目光吧。


作为科学家的索恩,有着漂亮的学术成长经历。他的父母都是犹他州立大学的教授,育下五个子女里有三个最终都成为了教授。索恩传承于这个科研世家,1962年获得加州理工的本科学位,在约翰·惠勒(John Wheeler)的指导下,仅仅三年之后就凭借《圆柱体系下的几何动力学》获得普林斯顿大学的博士学位。27岁成为副教授,30岁升任教授,索恩书写着一个学神在学术道路上砍瓜切菜的传奇道路。在2009年退休前,索恩的职位名称是费曼理论物理教授。有趣的是,费曼1942年博士毕业时的指导老师同样是惠勒,因此费曼可以算是他的同门师兄。索恩在学术界的地位如何衡量呢?这么说吧,1915年11月份,爱因斯坦在柏林的普鲁士科学院作了关于广义相对论的报告,正式宣告这一理论体系的建立。一百年后的2015年,在同一个时间,同一个地点,受邀作专题演讲,回顾广义相对论这一生的就是索恩。


索恩第一次进入大众视野,大概以他与一生挚友、著名理论物理学家霍金在上世纪70年代打的赌约:天鹅座X-1到底是不是一个黑洞。霍金的悲观主义让他虽然期待,还是宁愿打赌这不是一个黑洞:输了赌约的话,作为科学家他高兴;赢了赌约,作为普通人他同样高兴。而索恩则以一个美国式的乐观主义押注并赢取了赌注。然而,这则物理学领域的花边新闻,常见的流传形式是霍金与某个物理学家打赌,于是索恩不幸地沦为了“背景帝”。即使后续打赌打得再多再有趣,聚光灯似乎总是青睐霍金。


近年来,索恩的公众认知逐渐提升,主要还是依赖于他退休以后的发挥余热:他一直期待能够参与一部逻辑严谨、科学背景准确的科幻小说。在他的另一位好友,卡尔·萨根写作《超时空接触》时,曾经苦于找不到合理的超时空穿越的途径。索恩基于此发展了一套理论,以虫洞的形式阐述了时空穿越的正确打开方式。以《物理法则是否允许封闭的类时曲线》为题,在这方面发表了一系列论文。退休以后,他有了更多的时间用来圆他的科幻梦。他先后联系了好莱坞导演斯皮尔伯格等人,并最终确定与诺兰合作,这才有了大片《星际穿越》的横空出世。全程参与视觉效果制作的索恩还借着这部电影发表了两篇论文。算起来,索恩能够同时在奥斯卡奖和诺贝尔奖这两个相去甚远的顶级奖项中作为主力起到关键作用,不敢说绝后,至少是空前了。


感谢他们的贡献。



扩展阅读:引力波是什么?为何直接探测到它值一座诺奖?一篇文带你看懂


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