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开启宇宙研究新时代,今天的诺奖有他的一份

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

1992年7月,沃格特向LIGO团队全体成员发了一封电子邮件,宣布德雷弗已被开除,以后再也不准踏入LIGO办公楼半步。

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。

LIGO三巨头的初相遇

引力波“不负众望”摘诺奖 开启宇宙研究新时代

能获得诺贝尔奖的科学家,无疑都登上了科学的神坛。但不少没有得过诺奖的科学家,同样做出了一点也不逊于诺奖得主的科研工作,他们同样值得被后世所铭记。(编辑:婉珺)

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。

这样的大牛,自然就成了诺贝尔物理学奖的热门人选。事实上,索末菲曾先后八十一次被提名为诺贝尔奖的有效候选人,但却一次也没拿到诺贝尔物理学奖。据说他无法得奖的一个非常重要的原因是,量子力学教父波尔一直在反对他。

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。

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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。

下图就是韦斯提出的用“激光干涉仪”来测量引力波的原理图。从一个固定光源(下端的长方体)发出的激光,在经过一个半透镜(绿色线段)后会分成两束激光,然后沿两个互相垂直的方向继续前进。被反射镜(左端和上端的两个青色长条)反射回来以后,它们会重新汇聚并发生干涉,而干涉图案将显示在右端的探测器上。正常情况下,汇聚后的两束激光应该峰谷彼此对应(紫色圆圈)。但是,如果有引力波(黄色区域)经过,半透镜和反射镜之间的距离就会发生改变(引力波使空间发生形变的细节见:重磅!三个探测器同时探到引力波!为什么“三”如此重要?|王爽专栏),那么汇聚后的两束激光就不会再峰谷对应,从而使干涉图案发生改变(空心圆圈)。换句话说,如果在没有其他因素干扰的情况下,突然看到激光干涉图案发生了改变,就说明这个激光干涉仪真的探测到了引力波。

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。”

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打开物质世界的新钥匙

与此同时,越来越多人开始关注用“激光干涉仪”来探测引力波的新方法。这种新方法是麻省理工学院教授雷纳·韦斯在1967年给研究生上课的时候想到的。

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。

激光在日常生活中很常见,那么我来讲讲干涉。只要是两列物理性质相同的波(如水波、声波、光波),都可以互相叠加,而且叠加过程遵循以下的规律。如果两列波是波峰对波峰、波谷对波谷地进行叠加,那就会形成更高的波峰和更矮的波谷。如果是波峰对波谷、波谷对波峰地进行叠加,那就会互相抵消。这种两列波互相叠加的现象就是干涉。

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。

在引力波探测事业中居功至伟的罗纳德·德雷福,就这么被迫离开自己一手创建的LIGO。

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。”

帕斯库尔·约当。图片来源:Wikipedia

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。

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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。

但NSF不喜欢LIGO三人共治的管理模式。1986年,NSF撇开了这三大元老,直接指派时任加州理工学院教务长的罗克斯·沃格特(Rochus Vogt)来担任LIGO的项目负责人。

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。 ”

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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。”

那些与诺奖失之交臂的大物理学家

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。”

但德雷弗很快就与沃格特出现了非常严重的分歧。德雷弗主张循序渐进,应该先造臂长200米的干涉仪。而沃格特比较好大喜功,要直接造臂长40千米的庞然大物。由于性格和理念的不同,两人的矛盾逐渐变得不可调和。

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。

后来,德雷福患上了老年痴呆症,住进了爱丁堡的一家养老院。2015年9月14日,LIGO首次直接探测到了一个被称为“GW150914”的引力波信号。这让德雷福与韦斯和索恩一起,拿遍了除诺奖以外的几乎所有重要的科学奖项。但遗憾的是,今年3月7日,德雷福因病去世,因而与诺贝尔奖彻底无缘。

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”。

乔治·伽莫夫。图片来源:georgeslemaitre.blogspot.hk

获奖只是开始

但索恩是一个理论物理学家,对实验方面的事务一点都不擅长。所以,他必须找一个实验物理学家合作。恰好那时,德雷福刚在格拉斯哥大学造出了一个臂长10米的激光干涉仪,这让索恩刮目相看。所以1981年,索恩就把德雷福挖到了加州理工学院教授,具体负责建造干涉仪的工程问题。

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。

霍伊尔发现“大爆炸”理论只能产生氢和氦这两种元素,后面的元素全都产生不了。那元素周期表中的一百多种元素又是从哪里来的呢?霍伊尔提出这些元素来源于恒星内部的核聚变,以及它们最终死亡时的大爆发。这个想法后来被霍伊尔在剑桥的同事威廉·福勒(William Fowler)发扬光大。由于这个贡献,福勒于1983年获得了诺贝尔物理学奖。但悲催的是,霍伊尔却没有获奖。

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。

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相关专题:2017年诺贝尔奖

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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。

2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(KipS. Thorne)和巴里·巴里什(BarryC. Barish),以表彰他们领导建设激光干涉仪引力波天文台(简称LIGO),进而首次直接探测到引力波的伟大成就。

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。

弗雷德·霍伊尔。图片来源:Wikipedia

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。

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“三剑客”带来精密测量的胜利

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