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        眾望所歸:引力波探測(cè)摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

        2017-11-10 05:39:01蔡立英編譯
        世界科學(xué) 2017年11期
        關(guān)鍵詞:索恩韋斯諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

        蔡立英/編譯

        眾望所歸:引力波探測(cè)摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

        蔡立英/編譯

        三位物理學(xué)家因在引力波的首次直接探測(cè)中做出了決定性貢獻(xiàn),摘得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

        美國麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯(Rainer Weiss)、加州理工學(xué)院的巴里·巴里什(Barry Barish)和基普·索恩(Kip Thorne)因他們?cè)谖挥诿绹募す飧缮嬉Σㄌ煳呐_(tái)(LIGO)探測(cè)引力波的工作,分享了900萬瑞典克朗的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金。2015年9月,LIGO首次探測(cè)到兩個(gè)遙遠(yuǎn)黑洞碰撞產(chǎn)生的時(shí)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(xué)的一個(gè)新時(shí)代——科學(xué)家們聆聽宇宙中最劇烈的事件發(fā)出的時(shí)空波動(dòng)。而且,這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了愛因斯坦在一個(gè)世紀(jì)前就已預(yù)言的引力波的存在。

        韋斯和索恩是被譽(yù)為“LIGO三巨頭”的三位物理學(xué)家中的其中兩位,他們是LIGO的兩個(gè)相同的巨大探測(cè)器的創(chuàng)建者,一個(gè)探測(cè)器位于路易斯安那州利文斯頓,一個(gè)探測(cè)器位于華盛頓州漢福德。我們也不應(yīng)該忘記LIGO三巨頭中還有一位物理學(xué)家的貢獻(xiàn),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(dān)任LIGO主任,他把原先混亂無序的LIGO合作項(xiàng)目變成了動(dòng)力十足、運(yùn)轉(zhuǎn)良好的LIGO科學(xué)合作組織,得到廣泛贊譽(yù)。

        “我更愿意把我獲得的這個(gè)諾獎(jiǎng)看作是對(duì)這個(gè)大約1 000人的研究團(tuán)隊(duì)工作的認(rèn)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?!表f斯在剛剛榮獲諾獎(jiǎng)后,與諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)一同接受采訪時(shí)發(fā)出這樣的感慨。

        “我們都為他們的獲獎(jiǎng)高興不已,他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域工作了數(shù)十年?!甭芬姿拱材侵萘⒋髮W(xué)的物理學(xué)家、LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員和LIGO科學(xué)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(jiǎng)按規(guī)定最多只能同時(shí)授予3人,但是諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)在揭曉2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的新聞發(fā)布會(huì)上,特別提到了投身LIGO項(xiàng)目的科學(xué)家群體的貢獻(xiàn)。

        自從去年LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)宣布探測(cè)到引力波后,全世界的科學(xué)家普遍期待著諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)把諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)?!拔液苄老?,諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)選對(duì)了人?!瘪R里蘭大學(xué)的廣義相對(duì)論理論家查爾斯·米斯納(Charles Misner)表示。獎(jiǎng)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(yùn)動(dòng)

        在LIGO探測(cè)到引力波之前,幾乎沒有物理學(xué)家懷疑引力波的存在。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論,時(shí)空扭曲產(chǎn)生引力波是不可避免的結(jié)果,而且?guī)缀鯐?huì)無阻礙地傳播到宇宙。1974年,科學(xué)家檢驗(yàn)了一對(duì)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(yù)測(cè)的引力波輻射損耗是一致的,從而間接證實(shí)了引力波的存在。這一發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

        但是,直接探測(cè)引力波是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。即使是最高能的時(shí)空扭曲——那些由恒星塌縮或黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波,到達(dá)地球時(shí)強(qiáng)度也會(huì)變得極其微弱。2015年探測(cè)到的引力波分別拉伸和壓縮了LIGO長達(dá)4 000米的L型真空長臂,導(dǎo)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(dòng)的距離出現(xiàn)顯著的不同。

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

        20世紀(jì)60年代,美國和蘇聯(lián)的物理學(xué)家最早提議利用激光干涉儀來探測(cè)引力波。1972年,韋斯最先詳細(xì)計(jì)算出干涉儀的工作方法。利用激光干涉儀來探測(cè)引力波這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)看起來是那么牽強(qiáng),甚至連韋斯自己都不確定是否能行。當(dāng)時(shí),韋斯告訴科學(xué)社會(huì)學(xué)家哈里·柯林斯(Harry Collins):“可能大約一年時(shí)間,我們就會(huì)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(jì)70年代中期,他建造了首個(gè)干涉儀樣機(jī),很快得到了歐洲科學(xué)家的追隨——其中包括英國格拉斯哥大學(xué)的德雷弗及其同事和德國慕尼黑的另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。

        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(duì)論的專家,也在發(fā)展引力波理論。1975年,在華盛頓的一次學(xué)術(shù)會(huì)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(cè)引力波的正確方法。20世紀(jì)80年代,當(dāng)美國國家科學(xué)基金會(huì)明確表示不會(huì)資助兩個(gè)單獨(dú)的引力波探測(cè)項(xiàng)目時(shí),索恩、韋斯和德雷弗聯(lián)手,于是就誕生了LIGO科學(xué)合作組織。

        戲劇性的轉(zhuǎn)機(jī)

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

        LIGO項(xiàng)目最初努力爭(zhēng)取政府的資助,最終成為美國國家科學(xué)基金會(huì)歷史上規(guī)模最大、最燒錢的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。LIGO的兩個(gè)幾乎相同的探測(cè)器最早在2002年啟動(dòng)運(yùn)行,在數(shù)據(jù)收集的最初階段,大家公認(rèn)它們探測(cè)到任何引力波信號(hào)的希望渺茫。2010年,LIGO暫時(shí)關(guān)閉進(jìn)行了重大升級(jí)改造,于2015年9月重啟,靈敏度比以前提高了3倍。

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

        LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也從其他國家的重要研究努力中受益。德國和英國貢獻(xiàn)了經(jīng)費(fèi)和研究,位于德國漢諾威附近的一個(gè)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(cè)技術(shù)的主要試驗(yàn)臺(tái)。

        2017年的這三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主還非常博學(xué)多才:韋斯除了在LIGO項(xiàng)目工作,還是宇宙背景探測(cè)器(COBE)的領(lǐng)銜科學(xué)家,COBE是美國宇航局發(fā)射的一顆探測(cè)衛(wèi)星,在20世紀(jì)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(xué)獎(jiǎng)。)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(gòu)思了最初的情節(jié),擔(dān)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(dá)維亞的費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室和其他地方從事中微子實(shí)驗(yàn)研究。他還領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)擬建中的國際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)的設(shè)計(jì)。

        大家普遍認(rèn)為,索恩和韋斯摘得諾獎(jiǎng)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(jiǎng),包括獎(jiǎng)金300萬美元的基礎(chǔ)物理學(xué)特別突破獎(jiǎng),獎(jiǎng)金50萬美元的格魯伯基金會(huì)宇宙學(xué)獎(jiǎng),獎(jiǎng)金120萬美元的邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)以及獎(jiǎng)金100萬美元的卡弗里天體物理學(xué)獎(jiǎng)。

        左起依次為雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩,他們領(lǐng)導(dǎo)了引力波探測(cè)工作

        ● 雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩因他們?cè)诩す飧缮嬉Σㄌ煳呐_(tái)探測(cè)“時(shí)空漣漪”的貢獻(xiàn)分享了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

        [資料來源:Nature][責(zé)任編輯:彥 隱]

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