发现引力波的三位科学家获得诺奖，爱因斯坦终于可以瞑目

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2017.10.4



2017 年诺贝尔物理学奖被授予美国三位科学家 Rainer Weiss（雷纳·韦斯）、Kip Thorne（基普·索恩）、Barry Barish（巴里·巴里什），以表彰他们在 LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）检测器和引力波观测的决定性贡献。




依次为雷纳·韦斯、基普·索恩、巴里·巴里什


引力波是一种时空涟漪，如同石头丢进水里产生的波纹。爱因斯坦于 1915 年正式发表了广义相对论理论，1916 年就预言了引力波的存在，但他认为引力波难以被探测到，因为相关信号非常微弱。


引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论：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。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、超新星核塌缩等。


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。


三位获奖物理学家通过使用巨大的激光干涉仪，实现了人类历史上第一次探测到引力波，证实了百年前爱因斯坦的预测。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。




以爱因斯坦为主的科学家建立的广义相对论一百年来虽然已经成为了现代物理学的主要部分，但是这些科学家都没有获得诺贝尔物理学奖，不能不说这是物理学史和诺贝奖历史上的一个遗憾。
自 2016 年 2 月 11 日 LIGO 团队宣布成功探测到引力波，完成爱因斯坦广义相对论最后一块拼图后，诺奖终于变成了一个时间问题。

只是因为结果公布比当年的诺奖提名截止时间晚了 10 天，LIGO 晚了一年获奖，刻在科学最高荣誉殿堂上的名字少了一个：罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）。



罗纳德·德雷弗



罗纳德·德雷弗，苏格兰实验物理学家，LIGO 三位联合创始人之一，2017 年 3 月 7 日逝世于爱丁堡，享年 85 岁。

这位给 LIGO 留下了许多基础性设计的苏格兰人，早在 25 年前就因与当时 NSF（美国国家科学基金会）指派的项目负责人罗克斯·沃格特（Rochus Vogt）不睦，被没有任何官方解释地“踢”出了团队，并被禁止踏入 LIGO 办公楼半步。

德雷弗放弃了加州理工学院给予另一个独立引力波项目的补偿，从此消失在 LIGO 的故事里。2016 年，当荣誉奖项纷至沓来，媒体报道连篇累牍，德雷弗均作为一个名字被匆匆带过。其时，他已深受痴呆症之困，所幸仍能理解引力波探测成功的消息，并为之开心不已。



20 年前，当德雷弗因 LIGO 派系斗争被“扫地出门”，整个项目已成一摊死水。巴里·巴里什临危受命，用务实而严谨的管理能力争取到项目经费，建立成熟的科研体系，对 LIGO 进行了改革，并创立了 LIGO 科学联盟，吸引数以千计的外界科学家参与。

新方案被 NSF 所接受，并投资了 3.95 亿美元。随后，位于路易斯安那州 Livingston 和华盛顿州 Hanford 的两个干涉仪破土动工。



激光干涉引力波天文台


1999 年，LIGO 竣工。2002 年，LIGO 开始接收数据。2005 年，巴里什离开 LIGO，前往筹备国际直线对撞机。在离开之前，巴里什留下了一份关键的升级方案。


如果巴里什的名字在基础科学领域以外不被人熟知的话，那么基普·索恩在文化、科普领域则要更如雷贯耳一些。

基普·索恩，《星际穿越》的科学顾问。在他的帮助下，30 个人以一年的工作量，最终向科幻迷们展示了一个人类电影史上最逼真的黑洞——卡冈图雅。


卡冈图雅




在《星际穿越》的电影里，黑洞以接近光速旋转着，将宇宙的物质一点点地吸引过去。理论上讲，黑洞本是一颗恒星，然而它最终没有熄灭或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一样，坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点。一道光轮环绕着里面的球形大漩涡，看起来似乎既从上面弯过去，也从下面弯过去了。


影片中，花朵状的永恒号太空船正在接近虫洞



擅长科普写作，语言表达能力极强的索恩被认为是美国引力波探测项目公认的“代言人”。他依照个人兴趣，开创了物理学多个分支领域，促成了引力波探测各相关领域研究的大发展。


2017 年的诺贝尔物理学奖授予了 LIGO 实验直接探测到并且发现了引力波，不但是众望所归，而是也对百年现代物理学做了一个了断。从今往后，扩展广义相对论理论并且发展和量子力学统一的量子引力理论的研究将进入一个新的时代。


LIGO 团队发现的引力波在科学史上可能创造了两项之最：一是预言到发现之间时间跨度最长的科学发现，从爱因斯坦时代到今年，这个时间跨度是一个世纪；二是一个实验经历了最长时间才取得了正结果，这个时间是 30 多年。


虽然这次的诺贝尔物理学奖对百年现代物理的发展做了一个了断，但是这对于引力波探测以及相关领域的研究却仅仅是一个开始。


由于我们距离引力波源太远，需要借助强大的引力波探测器才能听到遥远宇宙中的天体发出的引力波，因此引力波探测器就是人类的“助听器”。

除了继续利用 LIGO 这样的仪器探测引力波，空间激光干涉引力波天文台（比如欧洲的 LISA 项目、中国的太极和天琴计划）将会“听到”完全不同类型的黑洞撞击所发出的引力波，这对于我们理解整个宇宙的结构形成和演化都会非常重要。



而探测宇宙大爆炸前期的暴胀时期产生的宇宙原初引力波，将对于我们理解宇宙的起源起着不可替代的的作用。

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引力波终于被捕获



2015年9月14日，百年前曾被阿尔伯特·爱因斯坦所预言的宇宙引力波第一次被探测到了。这些引力波来自两个黑洞的相撞，它们经过13亿年的长途跋涉才到达了美国的LIGO探测器。

引力波信号到达地球时已极其微弱，但足以有希望掀起一场天体物理学的革命。引力波是人类观测宇宙中最剧烈事件（黑洞融合）的全新方法，也是检验人类知识极限的新途径。



LIGO 汉福德台址鸟瞰（图片来源：LIGO Laboratory   摄影：Corey Gray）


由两个激光干涉仪组成的LIGO（激光干涉引力波天文台），是一个由来自超过20个国家、千余名研究者共同协作的项目。他们共同实现了近50年前的一个构想。2017年的三位诺贝尔奖得主以其热情与决心，各自对LIGO的成功做出了无价贡献。先驱者雷纳·韦斯（Rainer Weiss） 和吉普·索恩（ Kip S. Thorne）, 以及巴里·巴瑞希（Barry C. Barish），作为带领这一项目走向完成的科学家与领导者，使四十多年来的努力最终实现了引力波的成功观测。


20世纪70年代中期，雷纳·韦斯已经分析出了有可能会干扰测量的那些背景噪声的可能来源，并且还设计了一种基于激光干涉仪的检测器，可以克服这种噪音。从一开始，吉普·索恩和雷纳·韦斯都坚信，引力波可以被检测出来，并带来一场我们对宇宙认识的革命。



如何捕捉引力波。人类捕捉到的第一个引力波信号，来自13亿光年之外的两个巨大黑洞的剧烈合并。当这束引力波经过13亿年的漫长旅行，穿过地球的时候，已经发生了明显的衰弱：LIGO探测器探测到的时空扰动，比一个原子核的大小还要小上千倍。


正如爱因斯坦在他的广义相对论中描述的那样，引力波以光速传播，并且在宇宙中无处不在。它们总是来自于有质量物体的加速过程，例如一个滑冰选手做足尖旋转运动或当两个黑洞绕着彼此旋转的过程。爱因斯坦曾确信引力波永远不可能被测量出来。LIGO的科研项目的成就是用一对巨大的激光干涉仪测量到了当引力波穿过地球时所引起变化，这个变化只有原子核的大小的千分之一。





两个黑洞在数千万年间相互绕转，不断地释放出引力波。它们之间的距离越来越近，最终在短短零点几秒的时间里猛烈碰撞，融合在一起，形成一个新的黑洞。融合瞬间释放的能量增强了引力波。13亿年后，我们在地球上听到的，就像是宇宙的啁啾信号在一瞬间的增强之后，戛然而止。


到目前为止，各种各样的电磁辐射和粒子——例如宇宙射线或中微子——都已经被用来探索宇宙。然而，引力波直接证明了时空自身的扰动。这是完全崭新而且不同的东西，打开了以往无法看到的世界。大量的新发现都在等待着那些成功捕捉到这些波并且解读其中信息的人们。

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重磅新闻！科学家发现中子星合并产生的新型引力波

2017-10-16 22:08


中新网10月16日电 据外媒报道，北京时间16日晚10点，美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在官网宣布，LIGO和Virgo探测器及其他合作伙伴探测到由双中子星合并产生的新型引力波。这是人类首次探测到双中子星合并产生的引力波。


从2015年9月到今年1月，LIGO曾先后3次单独探测到引力波。今年8月，LIGO和Virgo共同探测到引力波。这4次引力波信号均来自双黑洞并合。




瑞典斯德哥尔摩当地时间10月3日，瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne，以表彰他们在引力波研究方面的贡献。图为Ranier Weiss(资料图)。


刚刚过去的10月3日，3名科学家凭借为LIGO探测器建设和发现引力波所作贡献一举夺得2017年诺贝尔物理学奖。


据悉，引力波就是黑洞等巨大天体在碰撞时产生的一种特殊的“时空涟漪”，是时空扭曲带来的现象，就像石头被扔进水中所产生的波纹。