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2017诺贝尔物理学奖花落引力波,它验证了爱因斯坦百年预言,为人类探索宇宙配上“耳朵”


2017诺贝尔物理学奖花落引力波,它验证了爱因斯坦百年预言,为人类探索宇宙配上“耳朵”

10月3日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院教授基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish),以表彰他们构思和设计了激光干涉仪引力波天文台 LIGO,并对直接探测引力波做出杰出贡献。

2016年2月11日,美国加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO的研究人员宣布,他们在2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。

LIGO官网信息显示,首次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。这两个黑洞的直径都在150公里左右,它们不断靠近,旋转,并最终合并成一个黑洞。两个黑洞一个达到太阳质量的29倍,一个为太阳质量的36倍。据推测,两个黑洞的合并发生在13亿年前,合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵达地球。

公布首次探测结果后,LIGO就成为了众望所归的诺奖最大热门。然而,2016年诺贝尔奖提名的截止时间是1月31日。外界普遍猜测,诺奖可能推迟到2017年才会花落LIGO。今天的获奖结果也显示引力波获奖毫无悬念。

截至目前,LIGO已成功探测到4次引力波事件。最近的一次就发生在5天前。

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。按照广义相对论计算,双星互相绕转发出引力辐射,它们的轨道周期就会因此而变短。

对引力波的探测不仅可以进一步验证广义相对论的正确性,而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景:茫茫宇宙,只要有物质,就有引力辐射。

三位获奖人简介

雷纳·韦斯(Rainer Weiss),1932年9月29日在德国柏林出生,现年85岁。雷纳·韦斯发明的激光干涉引力波探测器是LIGO装置的基础。他首次分析了探测器的主要噪声来源,并领导了LIGO仪器科学的研究,最终使LIGO达到了足够的灵敏度。

基普·索恩(Kip Stephen Thorne),1940年6月1日出生在美国犹他州的洛根市,现年77岁。基普·索恩奠定了引力波探测的理论基础,他开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向,并对LIGO仪器科学做出了重要贡献,特别是提出了量子计量学理论的一系列基本概念。

巴里·巴里什(Barry Clark Barish),出生在内布拉斯加州的奥马哈,现年81岁。巴里·巴里什领导了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。

印证爱因斯坦百年预言

时间和空间会在质量面前弯曲,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。

早在1915年,爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的存在,并预言强引力场事件可产生引力波,比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。

我们在地球上随时随地都可能遭遇来自宇宙中各种源头的引力波:两个黑洞合并、中子星自转、超新星坍缩等。

然而,即使是像黑洞这样巨大质量的系统相互碰撞、合并,产生的引力波信号传递到地球上也是很微弱的。就连爱因斯坦本人也想象不到,能通过怎样的方法探测到引力波。

过去近百年中,广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有原初引力波因信号极其微弱,技术上很难测量,而一直徘徊在天文学家“视线”之外。

历史上,曾有过几次科学家宣布发现引力波,而后被证实是“乌龙消息”。1959年,美国马里兰大学教授J·韦伯发表了证实引力波存在的消息,韦伯首创用铝棒做“天线”,接收天体辐射的引力波的方法。当时参加研究的十几个小组只有J·韦伯宣布接收到了可能是来自其他天体的引力波信号。其后不断有人重复这个实验,但终未得到肯定的结果,所以人们只能对此报以叹息。

2014年3月18日,天文学家们宣布探测到了原初引力波,这是138亿年前创造宇宙的大爆炸中产生的痕迹。然而2015年1月29日,BICEP2观测站宣布他们去年3月观测到引力波的已被证实来自宇宙的尘粒,而非原初引力波。

为“捕获”引力波,美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。在利文斯顿的干涉仪有一对封闭在1.2米直径的真空管中的4公里长的臂,而在汉福的干涉仪则稍小,只有一对2公里长的臂。

这二套LIGO干涉仪在一起工作构成一个观测所。这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其它干扰都可能看起来像引力波信号,如果是此类干扰信号,其记录将只出现在一台干涉仪中,而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。

所以,科学家可以对二个地点所记录的数据进行比较得知哪个信号是噪声。来自加州理工学院、麻省理工学院等90多所高校的1000多名科学家参与LIGO的日常探测和研究。

LIGO的创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯说,“引力波的发现漂亮地印证了爱因斯坦在100年前的预言。如果我们有机会告诉他这件事,我真想看看他脸上的表情。”

佐证宇宙暴涨理论

在哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡看来,人类此前的天文学发现都好似“眼睛”,而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”。他表示,引力波携带大量信息,它的发现可帮助科研人员更好地了解黑洞。

在天文学几百年来的发展过程中,人们观测宇宙的主要手段是观测光,也就是说几乎所有天文实验都是在收集光子。而根据标准宇宙大爆炸理论,大爆炸之后约40万年,光子、电子及其他粒子混在一起,宇宙处于晦暗的迷雾状态,光无法穿透。

而引力波则不同,它诞生在宇宙大爆炸之初并以光速传播。从事引力波研究多年的美国亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯认为,引力波被测量到,意味着人们可以通过引力波而一直追溯到大爆炸之后的极早时期,同时引力波也可以作为另一种观测宇宙的手段。引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。

学界普遍认为,引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。它开启了人类探索宇宙的一扇大门,甚至可能揭开宇宙诞生早期的奥秘。

根据上世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论,140亿年前,在大爆炸之后不到10的负35方秒的时间里,宇宙以指数速度急剧膨胀,即所谓“暴涨过程”。原初引力波忠实记录了暴涨时期的物理过程。



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