作者:冯维维 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/10/3 21:14:40
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时空涟漪“搅动”物理学界热议
美国三巨头因引力波发现而获得诺贝尔物理学奖

华盛顿州汉福德LIGO观测台。图片来源:LIGO Laboratory

两年前,物理学家第一次发现,当两个黑洞相互旋转合并时,就会在空间中形成无限微弱的涟漪。发现这样的引力波实现了爱因斯坦1个世纪前的预言,并开启了探索宇宙的一种全新方式。今天,这一重大实验的三位领导者获得了诺贝尔物理学奖。

麻省理工学院85岁的Rainer Weiss和加州理工学院77岁的Kip Thorne在1984年共同策划了激光干涉引力波天文台(LIGO)的观测计划。加州理工学院粒子物理学家、81岁的Barry Barish随后指导了分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个LIGO观测站的建设。Weiss将获得900万瑞典克朗(110万美元)奖金中的一半,Thorne和Barish将分享另外一半。而LIGO的第三位创建者Ronald Drever于今年7月7日在爱丁堡去世,享年85岁。(诺贝尔奖不授予已去世的人。)

其他物理学家也认为,引力波的发现是物理学史上最重要的发现之一。“它是革命性的。”哈佛大学理论物理学家Abraham Loeb说,“我们非常罕见地打开了宇宙的一扇全新窗口。”

然而,Weiss却说,他觉得获得这个奖项有点尴尬。“为了从一开始(我们)就非常乐意去做的一件事而收钱有点不像话。”他说,“我觉得对它最好的理解是,我们代表了那些让LIGO成为现实的更大的群体。”Weiss表示,他已安排将奖金捐赠给麻省理工学院以帮助支持学生。

引力波的整个概念有些令人费解。1915年,阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中解释说,当质量和能量扭曲时空时就会引力产生,导致自由落地的物体沿着弯曲的轨迹运动。一年后,他预言,像杠铃一样快速转动的两个天体——如两个相互呈漩涡状旋转的黑洞——会在太空中辐射出涟漪,并以光速在宇宙中传播。

探测到极微弱的引力波是一项挑战。LIGO每个“L”形的干涉仪就像一对垂直的尺子一样。一个经过的引力波通常会让这两个4公里长的“手臂”以不同长度拉伸,通过对比在手臂上前后移动的激光,物理学家可以探测到轻微的差别性拉伸。LIGO干涉仪就会以相当于一个质子直径1/10000的长度探测到其中的差异。

Weiss是一名炉火纯青的发明者,一度曾从大学退学,他并非想到用干涉仪探测引力波的第一人。上世纪60年代,美国物理学家Robert Forward为这项任务建立了一个小型的干涉仪。然而,Weiss对这个问题进行了更彻底的分析,并认识到需要进行长达数公里的干涉仪。他还指出了外来噪音的主要来源,并在1972年未发表的一项报告中解释了如何处理这些噪音,这成为LIGO的基础。

经过最初的怀疑之后,Thorne开始支持这个项目,并敦促加州理工学院在1979年雇佣Drever开展引力波研究。康奈尔大学理论物理学家Saul Teukolsky表示,Thorne也塑造了LIGO的科学目标。例如在早期,许多物理学家认为引力波最可能的来源是超新星爆炸。Thorne意识到,相互旋转的成对中子星或黑洞可能是更强有力的来源,并鼓励实验者们选择LIGO探测它们。Thorne还敦促物理学家汇集大量的数值模拟,从而帮助在数据中发现潜在的信号。

如果说是Weiss和Thorne构思孕育了LIGO,那么Barish则使它成为现实。1994年,他接手了这个项目的领导权,当时该项目被搁置,美国国家科学基金会也在考虑取消该项目。Barish扩大了LIGO的合作范围,做了关键的设计改变,并在2005年卸任之前看到了这个项目通过建设。“如果没有他的领导,LIGO就不会存在。”加州理工学院物理学家、LIGO项目最初成员之一Stanley Whitcomb说,“这是Rainer和Kip无法做到的。”

Barish也表示,他不知道应该如何看待这个奖项。“这个项目如此多的工作是团队努力的结果,对个人的认可总让我有些矛盾的感觉。”他说。

如果Drever还活着,很多物理学家认为,他将分享此次奖项,尽管他的性格让他在1990年被赶出了LIGO项目。Whitcomb说,Drever参与了LIGO若干关键要素的设计。但他不像Weiss和Thorne那样谦逊。“对Kip和Rainer来说,这是件残忍的事情,因为他们在接下来的日子里需要受人瞩目。”Whitcomb说,“而这对于Ron来说同样是件残忍的事情,因为他本可以获得这一荣誉。”

LIGO似乎正在兑现它的承诺。第一个发现揭示了恒星大小的黑洞的合并,其规模比理论物理学家认为的大得多。上个月,研究人员宣布发现了第四次黑洞合并,这一次不仅是LIGO的两个探测器发现这一事件,欧洲首次登场的探测器——位于意大利比萨附近新升级的Virgo探测器同样观察到了这一事件。有传言称,LIGO已发现了两颗中子星在激烈的爆炸中合并,而且传统望远镜也观测到这一事件。这样“多信源”的天文学研究将可以对无数天体物理学现象提供前所未有的洞察。

Weiss指出,LIGO尚待交付的将是惊喜。“我们尚未发现完全不能解释的事情。”他说,“我希望那将会发生。”(冯维维编译)

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