蔡立英/編譯

眾望所歸：引力波探測摘得諾貝爾物理學獎

蔡立英/編譯

三位物理學家因在引力波的首次直接探測中做出了決定性貢獻，摘得2017年諾貝爾物理學獎。

美國麻省理工學院的雷納·韋斯（Rainer Weiss）、加州理工學院的巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）因他們在位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測引力波的工作，分享了900萬瑞典克朗的諾貝爾物理學獎獎金。2015年9月，LIGO首次探測到兩個遙遠黑洞碰撞產(chǎn)生的時空扭曲所發(fā)出的引力波。

這一重大發(fā)現(xiàn)于2016年2月公布，從此開創(chuàng)天文學的一個新時代——科學家們聆聽宇宙中最劇烈的事件發(fā)出的時空波動。而且，這一發(fā)現(xiàn)證實了愛因斯坦在一個世紀前就已預言的引力波的存在。

韋斯和索恩是被譽為“LIGO三巨頭”的三位物理學家中的其中兩位，他們是LIGO的兩個相同的巨大探測器的創(chuàng)建者，一個探測器位于路易斯安那州利文斯頓，一個探測器位于華盛頓州漢福德。我們也不應該忘記LIGO三巨頭中還有一位物理學家的貢獻，那就是羅納德·德雷弗（Ronald Drever），他于2017年3月7日去世。巴里什在1997～2005年間擔任LIGO主任，他把原先混亂無序的LIGO合作項目變成了動力十足、運轉(zhuǎn)良好的LIGO科學合作組織，得到廣泛贊譽。

“我更愿意把我獲得的這個諾獎看作是對這個大約1 000人的研究團隊工作的認可，雖然我非常不情愿地告訴你，我們?nèi)硇耐度氲綄ふ乙Σǖ呐χ两褚殉掷m(xù)了40年。”韋斯在剛剛榮獲諾獎后，與諾貝爾獎評審委員會一同接受采訪時發(fā)出這樣的感慨。

“我們都為他們的獲獎高興不已，他們在這個領域工作了數(shù)十年?！甭芬姿拱材侵萘⒋髮W的物理學家、LIGO項目團隊成員和LIGO科學合作組織前發(fā)言人加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela Gonzalez）表示。雖然諾貝爾獎按規(guī)定最多只能同時授予3人，但是諾貝爾獎評審委員會在揭曉2017年諾貝爾物理學獎的新聞發(fā)布會上，特別提到了投身LIGO項目的科學家群體的貢獻。

自從去年LIGO項目團隊宣布探測到引力波后，全世界的科學家普遍期待著諾貝爾獎評審委員會把諾貝爾物理學獎頒發(fā)給LIGO項目團隊。“我很欣喜，諾貝爾獎評審委員會選對了人?！瘪R里蘭大學的廣義相對論理論家查爾斯·米斯納（Charles Misner）表示。獎金的一半授予韋斯，另外一半由巴里什和索恩分享。

無阻礙的運動

在LIGO探測到引力波之前，幾乎沒有物理學家懷疑引力波的存在。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，時空扭曲產(chǎn)生引力波是不可避免的結果，而且?guī)缀鯐o阻礙地傳播到宇宙。1974年，科學家檢驗了一對并合的中子星發(fā)射的射電閃光的周期變化與愛因斯坦預測的引力波輻射損耗是一致的，從而間接證實了引力波的存在。這一發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學獎。

但是，直接探測引力波是一項艱巨的任務。即使是最高能的時空扭曲——那些由恒星塌縮或黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，到達地球時強度也會變得極其微弱。2015年探測到的引力波分別拉伸和壓縮了LIGO長達4 000米的L型真空長臂，導致的臂長變化量比質(zhì)子還要小很多，卻足以讓在長臂內(nèi)來回反射的同步激光束移動的距離出現(xiàn)顯著的不同。

羅納德·德雷弗是LIGO項目最初的共同創(chuàng)建者之一，于2017年3月逝世

20世紀60年代，美國和蘇聯(lián)的物理學家最早提議利用激光干涉儀來探測引力波。1972年，韋斯最先詳細計算出干涉儀的工作方法。利用激光干涉儀來探測引力波這個想法在當時看起來是那么牽強，甚至連韋斯自己都不確定是否能行。當時，韋斯告訴科學社會學家哈里·柯林斯（Harry Collins）：“可能大約一年時間，我們就會面臨抉擇，發(fā)現(xiàn)它不值得我們繼續(xù)做下去?！?/p>

韋斯1932年出生于德國，為了躲避納粹迫害跟隨家人于1938年移民美國。20世紀70年代中期，他建造了首個干涉儀樣機，很快得到了歐洲科學家的追隨——其中包括英國格拉斯哥大學的德雷弗及其同事和德國慕尼黑的另一個研究團隊。

索恩1940年出生于美國猶他州，父母是摩門教徒。索恩是研究廣義相對論的專家，也在發(fā)展引力波理論。1975年，在華盛頓的一次學術會議上，因旅館爆滿，索恩和韋斯同住一間房。在他們的交談中，韋斯說服索恩相信干涉儀是探測引力波的正確方法。20世紀80年代，當美國國家科學基金會明確表示不會資助兩個單獨的引力波探測項目時，索恩、韋斯和德雷弗聯(lián)手，于是就誕生了LIGO科學合作組織。

戲劇性的轉(zhuǎn)機

“LIGO三巨頭”并不總是合作融洽，他們自己也承認，沒有掌握恰當?shù)募记晒芾砗眠@個很快壯大成一個龐大組織的項目。1994年起擔任LIGO項目首席科學家的巴里什在1997年擔任LIGO主任后，情況發(fā)生了戲劇性的改善?？铝炙钩掷m(xù)幾十年都在密切關注和研究LIGO科學合作組織，他認為，是巴里什把LIGO真正變成了一個“大科學”研究組織?！叭绻皇前屠锸沧孡IGO科學合作組織出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機，它很可能早就散掉了?！彼赋?。

LIGO項目最初努力爭取政府的資助，最終成為美國國家科學基金會歷史上規(guī)模最大、最燒錢的科學實驗。LIGO的兩個幾乎相同的探測器最早在2002年啟動運行，在數(shù)據(jù)收集的最初階段，大家公認它們探測到任何引力波信號的希望渺茫。2010年，LIGO暫時關閉進行了重大升級改造，于2015年9月重啟，靈敏度比以前提高了3倍。

科學家們對于LIGO能否在重啟之后的幾年時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)引力波持謹慎樂觀的態(tài)度。但是宇宙對LIGO很厚愛，在2015年9月14日就提供了一個劇烈的引力波事件，當時干涉儀還在校準，比正式的運行日期還要早數(shù)日。從那以后，LIGO至少又探測到了3次引力波事件——最近一次引力波事件同時也被位于意大利比薩附近的“處女座”（Virgo）引力波探測器觀測到了。

LIGO項目團隊也從其他國家的重要研究努力中受益。德國和英國貢獻了經(jīng)費和研究，位于德國漢諾威附近的一個更小的干涉儀GEO600是位于美國的更大的干涉儀LIGO所采用的探測技術的主要試驗臺。

2017年的這三位諾貝爾物理學獎得主還非常博學多才：韋斯除了在LIGO項目工作，還是宇宙背景探測器（COBE）的領銜科學家，COBE是美國宇航局發(fā)射的一顆探測衛(wèi)星，在20世紀90年代繪制出了第一幅宇宙微波背景輻射圖——宇宙大爆炸的“余輝”。（另兩位COBE研究者分享了2006年諾貝爾物理學獎。）索恩不僅是引力波理論研究的先鋒，還幫助2014年的好萊塢科幻大片《星際穿越》構思了最初的情節(jié)，擔任該片的執(zhí)行制片人。巴里什在加盟LIGO之前，在伊利諾伊州巴達維亞的費米國家實驗室和其他地方從事中微子實驗研究。他還領導了一個擬建中的國際直線對撞機（ILC）的設計。

大家普遍認為，索恩和韋斯摘得諾獎桂冠是十拿九穩(wěn)的。在德雷弗于2017年3月去世之前，“LIGO三巨頭”幾乎包攬了他們能拿的所有大獎，包括獎金300萬美元的基礎物理學特別突破獎，獎金50萬美元的格魯伯基金會宇宙學獎，獎金120萬美元的邵逸夫天文學獎以及獎金100萬美元的卡弗里天體物理學獎。

左起依次為雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他們領導了引力波探測工作

● 雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩因他們在激光干涉引力波天文臺探測“時空漣漪”的貢獻分享了2017年諾貝爾物理學獎。

[資料來源：Nature][責任編輯：彥 隱]