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2017 诺贝尔物理学奖给了三位引力波发现者
日期: 2017/10/03 22:49 阅读: 150
  

原标题:众望所归!2017 诺贝尔物理学奖给了引力波发现者

没有意外,2017 诺贝尔物理学奖给了引力波发现者。

今年下午,瑞典皇家科学院宣布将 2017 年度诺贝尔物理学奖授予美国的 Rainer Weiss、Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish,用以表彰他们在引力波研究方面的贡献。

首先,让我们来听一听引力波的声音。下面为LIGO 的 Hanford 观测台负责人 Michael Landry 做客 2017 年的极客公园创新大会(GIF)时的视频。

(引力波传播示意图)

差点被爱因斯坦亲自否认的引力波

在 20 世纪早期,爱因斯坦提出了广义相对论理论,解决了在牛顿的理论体系下一些无法解释的问题,并基于该理论提出了一些看上去很怪异的预测,比如说星光弯曲、黑洞的存在、大爆炸以及引力波。

引力被认为是时空弯曲的一种效应,这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言,在一个给定的体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候,曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下,加速物体能够对这个曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播。

关于引力波最形象的描述可能就是「时空涟漪」了。宇宙中,两个质量极大的物质(比如黑洞)相互高速地环绕,会让周围的时空产生一阵阵的「涟漪」。就像在平静的水面丢下一个小石块,水面会有一圈圈的波纹向外扩散,这时候水面就是时空,水的波纹就是引力波。

当一个引力波通过一个观测者的时候,因为应变 (strain) 效应,观测者就会发现时空被扭曲。当引力波通过的时候,物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少,这个频率对应了引力波的频率。

不过,引力波的验证史极其曲折,甚至连爱因斯坦本人都一度怀疑引力波的存在。1916 年和 1918 年,爱因斯坦先后发表了两篇关于引力波的论文,但到了 1936 年,他却忽然对引力波失去了信心,宣称引力波并不存在。幸亏当时接到他投稿的《物理评论》找了普林斯顿大学副教授霍华德·罗伯逊审稿,罗伯逊委婉地指出了论文中的错误并提出了适当的修改方案,虽几经波折,但爱因斯坦最终还是修改了论文,弱化了他对引力波存在与否的消极看法。

(两个互相吸引的黑洞-示意图)

「开启面向宇宙的新窗户」

如果可以找到引力波,可以再一次验证爱因斯坦广义相对论的正确性,但问题是引力波太微弱了,可以产生巨大引力波的中子星、黑洞距离我们非常非常遥远,引力波的直接探测极其困难。

直到 2016 年 2 月 11 日,LIGO 科学合作组织宣布,他们于几个月前成功探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。这是过去一年里科学界最重大的突破之一,引力波的发现标志着人类在太空探索的路途上迈出了里程碑式的一步。

(LIGO 位于华盛顿州汉福德的探测器)

LIGO 是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台,在美国华盛顿州的汉福德(Hanford)与路易斯安那州的利文斯顿(Livingston),分别建有激光干涉探测器。它由美国国家科学基金会(NSF)资助,加州理工学院与麻省理工学院的物理学者 Kip S. Thorne、Ronald W. P. Drever 和 Rainer Weiss 领导创建。

上世纪 70 年代,科学家提出了使用激光干涉仪探测引力波的方法,而激光干涉仪也是 LIGO 以及世界上其它引力波探测站目前正在使用的探测方法,它的原理大致如下。

首先从激光器中发射出一束频率非常稳定的激光,这一束激光先通过分光镜,然后被分为两束强度相同的激光,这两束激光分别进入两个互相垂直的干涉臂(LIGO 建造了两个 4 公里长的真空管道),激光光束在抵达尽头后,会通过镜片反射回来,然后在分光镜的位置相遇,在这里会有一个输出端口,用于读出这两束激光合并在一起、产生干涉后的光强。

通过控制这两个互相垂直干涉臂的长度,这两束激光是可以互相抵掉的,这时候输出端口上就无法读到光信号。当有引力波通过,会引起时空变形,一个臂的长度会变长,另一个臂的长度变短,从而造成光程差,激光干涉条纹会因此发生变化。

LIGO 用的激光干涉仪在减震、光源、数据处理上做了大量的改进,让其使用的设备拥有远超之前探测设备的精度。2015 年 9 月 14 日,引力波穿过地球,它首先通过了路易斯安那的引力波探测器,7 毫秒之后通过了 3000 公里外的华盛顿探测器。

(汉福德观测台控制室)

经过严谨的数据分析后,LIGO 得出,这次探测到的引力波是两个黑洞在互相融合期间释放出的,这次的融合发生在 13 亿年前,之后它们发出的引力波就开始向着包括地球在内的宇宙各个地方进行传播。

这两个黑洞的初始质量大约为太阳的 30 倍,以 0.5 倍光速的速度绕着对方旋转。二者融合之后,大约 3 倍太阳质量的物质转化为能量,以引力波的形式释放出来,瞬间的功率超过了宇宙中所有恒星的功率之和。当然,这些能量并不是以光的形式释放的,而是全部以空间形变的方式。

引力波的发现让人兴奋,在《纽约客》杂志去年发表的长篇报道《「发现引力波」背后的故事》中,LIGO 发起者之一的 Thorne 称,「我们在开启一个面向宇宙的新窗户,这个窗户和以往所有的窗户都非常不同,我们对什么东西会通过这个窗户进来也很无知,一定会有更大的惊喜等待着我们。」

根据爱因斯坦的理论,引力波可以直接与宇宙大爆炸连接,大爆炸之初的引力波在 137 亿年后的今天仍然可以被捕捉到,一旦捕捉到宇宙大爆炸时期的引力波,就有望了解宇宙的开端和运行机制。对引力波的成功捕捉意义重大,证实了爱因斯坦的理论,从而成为我们了解宇宙真相的纽带。

2015 年 12 月、 2017 年 1 月、2017 年 8 月,LIGO 及位于意大利比萨的 VIRGO 引力波项目成功捕捉到了另外三次的引力波。

Rainer Weiss

美国理论物理学者,1932 年 9 月 29 日在德国柏林出生,因在引力物理学与天文物理学的贡献而知名于学术界,是麻省理工学院物理学荣誉教授。在他学术生涯中最重要的成就为发展出激光干涉术,其为激光干涉引力波天文台(LIGO)的关键技术。Weiss 是宇宙背景探测者(COBE)科学工作小组的主席。

Kip S. Thorne

美国理论物理学家,1940 年 6 月 1 日出生在美国犹他州的洛根市,研究领域主要是在相对论性天体物理学和引力物理学,其中比较着重于相对论性星体和黑洞方面的论题,特别是关于引力波的论题。最被公众所知与极具争议性的论述无疑应属他的关于虫洞或许能够用来做星际旅行或时间旅行的主张。

Barry C. Barish

1936 年生于美国东北奥马哈市,领导了 LIGO 建设及初期运行,建立了 LIGO 国际科学合作,他把 LIGO 从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学,最终使引力波探测成为可能。

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