本刊資料室

科學(xué)前沿

引力波的直接探測
——2017年諾貝爾物理學(xué)獎簡介

本刊資料室

1 2017年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉

2017年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉，美國的雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)以及巴里·巴里什(Barry Clark Barish)因直接探測到了引力波而獲獎．

2016年2月12日，激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)合作組宣布，他們于2015年9月14日探測到了引力波，它來自一個質(zhì)量為36倍太陽質(zhì)量的黑洞與一個29倍太陽質(zhì)量的黑洞的碰撞，然后并合為一個62倍太陽質(zhì)量的黑洞，失去的3倍太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波的能量．2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先后3次探測到黑洞合并產(chǎn)生的引力波．

2 獲獎人簡介

圖1 雷納·韋斯

雷納·韋斯(Rainer Weiss，圖1)，1932年在德國柏林出生，現(xiàn)年85歲．為了躲避政治動蕩，一家在1932年末搬家到布拉格，后在1938年搬家到美國．他年輕時在紐約市度過，曾就讀于哥倫比亞文法學(xué)校．他在1955年獲得麻省理工學(xué)士學(xué)位和1962年獲得麻省理工學(xué)院博士學(xué)位．他于1960至1962年執(zhí)教于美國塔夫斯大學(xué)，1962至1964年是普林斯頓大學(xué)的博士后學(xué)者，后于1964年加入麻省理工任教．

圖2 基普·索恩

基普·索恩(Kip Stephen Thorne，圖2)，1940年出生在美國猶他州的洛根市，現(xiàn)年77歲．父親維恩·索恩是農(nóng)藝學(xué)專家，母親艾莉森·索恩是經(jīng)濟學(xué)家．索恩早年在學(xué)術(shù)道路上順風(fēng)順?biāo)?，成為了加州理工歷史上最年輕的正教授之一．他于1962年獲得加州理工的學(xué)士學(xué)位，在1965年獲得普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)位．1967年索恩回到加州理工被聘任為副教授，3年后晉升為理論物理的教授．

圖3 巴里·巴里什

巴里·巴里什(Barry Clark Barish，圖3)，1936年出生在美國內(nèi)布拉斯加州的奧馬哈，現(xiàn)年81歲．他在南加州長大，高中就讀于洛杉磯．1957年獲得物理學(xué)學(xué)士，1962年獲得加州大學(xué)伯克利分校的實驗高能物理的博士學(xué)位．1963年他加入加州理工．巴里什在美國自然科學(xué)基金會國家科學(xué)委員會批準(zhǔn)資助該項目中發(fā)揮了重要作用，并對LIGO的建造和交付使用發(fā)揮了重要作用．

3 引力波存在的間接驗證

1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，并在隨后的幾年預(yù)言引力波的存在，但因為引力波傳播到地球時太微弱了，在預(yù)言的60年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無數(shù)努力，但都失敗了．直到1974年才得到引力波存在的間接實驗證據(jù).

1974 年物理學(xué)家約瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞爾·赫爾斯(Russell Alan Hulse)發(fā)現(xiàn)了一顆編號為PSR B1913+16的脈沖星，他們發(fā)現(xiàn)該脈沖星處于雙星系統(tǒng)中,其伴星也是一顆中子星,如圖4所示．根據(jù)廣義相對論，該雙星系統(tǒng)會以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5 μs，軌道半長軸每年減少3.5 m，預(yù)計大約經(jīng)過3億年后發(fā)生合并．自1974年，泰勒和赫爾斯對這個雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長時間的觀測，觀測值和廣義相對論預(yù)言的數(shù)值符合得非常好，這間接證明了引力波的存在．泰勒和赫爾斯也因這項工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎．

圖4 發(fā)射引力波的雙星系統(tǒng)

4 引力波的直接探測

美國當(dāng)?shù)貢r間2016年2月11日上午10點30分，美國國家科學(xué)基金會(NSF)召集了來自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家在華盛頓特區(qū)國家媒體中心宣布：人類首次直接探測到了引力波！

這次探測到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的，如圖5所示．

圖5 發(fā)射引力波的兩顆黑洞

兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29倍太陽和36倍太陽，合并成了一顆62倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的漫長旅行，終于抵達(dá)了地球，被美國的“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)的兩臺孿生引力波探測器探測到．

“激光干涉引力波天文臺”(LIGO，圖6)的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂，臂長均為4 000 m．在兩臂交會處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點，并在那里發(fā)生干涉．若有引力波通過，便會引起時空變形，一臂的長度會略為變長,而另一臂的長度則略為縮短，這樣就會造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會發(fā)生相應(yīng)的變化．

圖6 發(fā)現(xiàn)引力波的激光干涉天文臺

兩臺孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3 000 km．只有當(dāng)兩個探測器同時檢測到相同的信號才有可能是引力波．LIGO于1999年初步建成，2002年開始運行．

2007年，LIGO進(jìn)行了一次升級改造，包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動等．升級后的LIGO被稱為“增強LIGO”．2009年7月，增強LIGO開始運行直到2010年10月結(jié)束．

在2002年到2010年期間，LIGO沒能探測到引力波存在的可靠證據(jù)．

2010年，LIGO進(jìn)行了為期5年的重大升級改造，改造之后的探測器靈敏度要求提高10倍，被稱為“先進(jìn)LIGO”．2015年9月18日，先進(jìn)LIGO開始試運行．第一次探測到的引力波是LIGO于2015年9月14日探測到的．以后的3次則是用“先進(jìn)LIGO” 探測到的．