作者:王佳雯 丁佳 冯丽妃 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/10/3 23:17:06
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引力波“不负众望”摘诺奖 开启宇宙研究新时代

 

瑞典当地时间10月3日11时45分,位于斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院宣布了2017年诺贝尔物理学奖。雷纳·外斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C. Barish)、基普·索恩(Kip S. Thorne),三位因引力波探测而声名远播的科学家的名字,出现在了诺奖发布会的屏幕上。

“实至名归”“不负众望”……早已备好新闻稿件的媒体,纷纷用这样的字眼来形容此次诺贝尔奖物理学奖得主,因诺奖而沸腾的微信朋友圈内,有人笑称“果然,这次好多人猜对了”。

自2016年2月位于大洋彼岸的LIGO召开新闻发布会宣布人类首次直接探测到引力波至今,短短两年多的时间里,引力波这个物理学界的深奥词汇,已经屡屡见诸报端。然而,引力波,即“时空涟漪”,为何会在如此短的时间内赢得诺奖评奖委员会的青睐?

打开物质世界的新钥匙

“这次三位从事LIGO 建设和引力波探测的科学家获奖,科学家圈子里已早有猜测。”中科院物理研究所研究员曹则贤告诉《中国科学报》记者。

2016年2月11日, LIGO首次宣布此前于2015年9月14日利用臂长达4公里的激光干涉仪直接探测到了来自离我们13亿光年的两个黑洞合并事件造成的引力波。

此后,LIGO又先后两次独立探测到引力波。最近,位于欧洲意大利比萨附近新升级的VIRGO也加入到引力波探测队列,并在升级后两周内就首次探测到了引力波。

先后4例引力波事件,加上最近一次LIGO与VIRGO相互印证,自此人们对引力波探测结果“不再怀疑”。因而,当谈到此次诺贝尔物理学奖授予LIGO引力波探测,中科院高能物理所研究员、阿里原初引力波探测计划首席科学家张新民才说,“没有任何悬念。”

有关引力波存在的预言可追溯到百年前。曹则贤告诉记者,1918年,爱因斯坦在一篇名为“论引力波”的文章中深入探讨了引力波问题,给出了引力波方程。

爱因斯坦预言,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。

1974年,美国科学家赫尔斯(R. A. Hulse) 和泰勒(J. H. Taylor Jr.)发现脉冲双星的轨道在不断减小,这可以用引力波导致能量损耗的机理来解释,算是间接观测到了引力波,两人因此获得了1993年度的诺贝尔物理学奖。

而如今LIGO的工作则是对引力波的直接探测,这自然是对爱因斯坦广义相对论的验证。然而,在科学家看来其意义远不止于此。“这个发现不仅直接验证了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。”复旦大学物理系教授施郁解释道。

这意味着人类为下一步认知世界寻找到了一把新钥匙。引力波不仅会对原有物质世界的认识发生改变,还可能会帮助人类认识到以往没有认识到的物质。中国科学技术大学天文学系教授蔡一夫举例称,“比如,如果能探测原初引力波,我们就有可能探知宇宙起源;再比如,我们通过黑洞引力波或者双星体系引力波,可以独立于电磁方式认知这个天体系统。”

以LIGO的观测为例,在发现黑洞并合事件产生的引力波之前,太阳质量量级的黑洞双星体系几乎是天文观测的沙漠地带。蔡一夫说,“引力波提供了全新的手段,帮助科学家发掘过去以为是荒漠的观测领域,寻找宇宙中的蛛丝马迹。”

“三剑客”带来精密测量的胜利

引力波的探测开启了科学家“听”宇宙的时代,使人类从测量宇宙中的电磁波、高能粒子等方式间接了解宇宙信息,到如今获得了“主宰宇宙的引力的直接信息”,施郁说。

自然,这些直接信号带来了更丰富的宇宙信息。施郁介绍称,“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。 ”

引力波带来的变革令科学家对天文物理的未来充满期待,但同时令科学家备受鼓舞的还有LIGO的精密测量能力。“仅就LIGO能达到的对远处微小振动探测的精度而言,其获得诺贝尔奖也不为过。” 不过,曹则贤也同时认为,关于波动信号探测,理论上任何一点上获得的时间序列信号,都不足以反演出波源的信息。因此,关于空间中大质量物体合并机制的研究以及探测,未来也许还有更多的工作要做。

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。

蔡一夫将这种探测形象地比喻为“大海捞针”,然而LIGO让其成为了现实。因而,施郁将LIGO的成功也称为“精密测量的伟大胜利”,并认为它将进一步推动量子测量方面的研究。而这也是此次这三位科学家获得诺奖的重要原因,他们将理论与工程实现完美结合在了一起。

曹则贤介绍称,三位获奖者中,外斯是最早提出用激光干涉仪探测引力波并作噪声分析的,巴里什对建立LIGO作出了关键贡献,而索恩的贡献则在于引力波探测和LIGO的理论方面。

外斯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(罗伯特·福沃德)为这项任务建立了一个小型的干涉仪。然而,外斯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,索恩开始支持这个项目,并敦促加州理工学院在1979年雇佣德雷弗开展引力波研究。康奈尔大学理论物理学家索尔·图科斯基(Saul Teukolsky)表示,索恩也塑造了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。索恩意识到,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。索恩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。

如果说是外斯和索恩构思孕育了LIGO,那么巴里什则使它成为现实。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。巴里什扩大了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项目最初成员之一斯坦利•惠特科姆(Stanley Whitcomb)说,“这是雷纳和基普无法做到的。”

获奖只是开始

虽然在短短两年多的时间内,LIGO的引力波探测就已经摘得了诺奖桂冠,但科学家却认为这只是个开始。张新民告诉记者,目前看来利用引力波研究天体物理过程已经非常成熟,未来引力波探测时间将成为“常态化”。

这意味着,引力波探测的消息会不断出现在人们耳畔,随之增加的相关研究数据的不断丰富。随着数据的积累,科学家对于遥远的宇宙的认识,也将发生变革性的影响。

不仅如此,中科院紫金山天文台研究员吴雪峰告诉记者,引力波源由黑洞和黑洞并合、黑洞和中子星并合、中子星和中子星并合等天体并合事件产生。目前LIGO所探测到的引力波事件,都是由双黑洞并合事件所产生。而科学家期待着,未来LIGO、VIRGO等引力波探测装置,可以探测到黑洞中子星并合、中子星中子星并合等不同类型的天体并合事件所产生的引力波信号。

吴雪峰称,这黑洞和中星并合、中子星和中子星并合事件产生的引力波携带着丰富的电磁波信号,这意味着引力波电磁对应体研究也有广阔空间。“比如它能否在光学、射电、伽马射线等波段产生辐射,具体信号是什么,有待观测去发现。在已经来临的引力波电磁对应体观测时代,目前的理论预言有些可能被观测验证,甚至可能发现之前理论从未预言过的信号,后者将给科学家带来更大惊喜。”他说。

此外,引力波研究还将带来科学家对“宇宙从哪儿来”这一宇宙起源问题的深入研究。

据张新民介绍,宇宙暴胀时期循环宇宙产生的原初引力波,携带者宇宙起源的丰富信息。捕捉到原初引力波,将为科学家认识宇宙的创生提供丰富的研究信息。而这也将是引力波相关研究未来的重要发展方向之一。据他介绍,目前位于中国西藏阿里计划的观测仓已基本完成,预计到2020年可以开始观测。

总而言之,在科学家看来,无论对于相关理论研究还是观测而言,这扇窗才刚刚开启,也为中国科学家预留了广阔的施展拳脚的空间。

相关专题:2017年诺贝尔奖
 
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2017/10/4 9:12:34 xlsd
"为中国科学家预留了广阔的施展拳脚的空间"
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