瑞典當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月3日11時(shí)45分，位于斯德哥爾摩的瑞典皇家科學(xué)院宣布了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。雷納·外斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C. Barish）、基普·索恩（Kip S. Thorne），三位因引力波探測而聲名遠(yuǎn)播的科學(xué)家的名字，出現(xiàn)在了諾獎(jiǎng)發(fā)布會(huì)的屏幕上。
“實(shí)至名歸”“不負(fù)眾望”……早已備好新聞稿件的媒體，紛紛用這樣的字眼來形容此次諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主，因諾獎(jiǎng)而沸騰的微信朋友圈內(nèi)，有人笑稱“果然，這次好多人猜對(duì)了”。
自2016年2月位于大洋彼岸的LIGO召開新聞發(fā)布會(huì)宣布人類首次直接探測到引力波至今，短短兩年多的時(shí)間里，引力波這個(gè)物理學(xué)界的深?yuàn)W詞匯，已經(jīng)屢屢見諸報(bào)端。然而，引力波，即“時(shí)空漣漪”，為何會(huì)在如此短的時(shí)間內(nèi)贏得諾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的青睞？
打開物質(zhì)世界的新鑰匙
“這次三位從事LIGO 建設(shè)和引力波探測的科學(xué)家獲獎(jiǎng)，科學(xué)家圈子里已早有猜測?！敝锌圃何锢硌芯克芯繂T曹則賢告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。
2016年2月11日， LIGO首次宣布此前于2015年9月14日利用臂長達(dá)4公里的激光干涉儀直接探測到了來自離我們13億光年的兩個(gè)黑洞合并事件造成的引力波。
此后，LIGO又先后兩次獨(dú)立探測到引力波。最近，位于歐洲意大利比薩附近新升級(jí)的VIRGO也加入到引力波探測隊(duì)列，并在升級(jí)后兩周內(nèi)就首次探測到了引力波。
先后4例引力波事件，加上最近一次LIGO與VIRGO相互印證，自此人們對(duì)引力波探測結(jié)果“不再懷疑”。因而，當(dāng)談到此次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予LIGO引力波探測，中科院高能物理所研究員、阿里原初引力波探測計(jì)劃首席科學(xué)家張新民才說，“沒有任何懸念。”
有關(guān)引力波存在的預(yù)言可追溯到百年前。曹則賢告訴記者，1918年，愛因斯坦在一篇名為“論引力波”的文章中深入探討了引力波問題，給出了引力波方程。
愛因斯坦預(yù)言，像杠鈴一樣快速轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)天體——如兩個(gè)相互呈漩渦狀旋轉(zhuǎn)的黑洞——會(huì)在太空中輻射出漣漪，并以光速在宇宙中傳播。
1974年，美國科學(xué)家赫爾斯（R. A. Hulse） 和泰勒（J. H. Taylor Jr.）發(fā)現(xiàn)脈沖雙星的軌道在不斷減小，這可以用引力波導(dǎo)致能量損耗的機(jī)理來解釋，算是間接觀測到了引力波，兩人因此獲得了1993年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
而如今LIGO的工作則是對(duì)引力波的直接探測，這自然是對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的驗(yàn)證。然而，在科學(xué)家看來其意義遠(yuǎn)不止于此?！斑@個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅直接驗(yàn)證了廣義相對(duì)論和引力波的存在，更重要的還在于開啟了對(duì)強(qiáng)引力、隨時(shí)間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)新窗口?！睆?fù)旦大學(xué)物理系教授施郁解釋道。
這意味著人類為下一步認(rèn)知世界尋找到了一把新鑰匙。引力波不僅會(huì)對(duì)原有物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)發(fā)生改變，還可能會(huì)幫助人類認(rèn)識(shí)到以往沒有認(rèn)識(shí)到的物質(zhì)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系教授蔡一夫舉例稱，“比如，如果能探測原初引力波，我們就有可能探知宇宙起源；再比如，我們通過黑洞引力波或者雙星體系引力波，可以獨(dú)立于電磁方式認(rèn)知這個(gè)天體系統(tǒng)?！?/p>
以LIGO的觀測為例，在發(fā)現(xiàn)黑洞并合事件產(chǎn)生的引力波之前，太陽質(zhì)量量級(jí)的黑洞雙星體系幾乎是天文觀測的沙漠地帶。蔡一夫說，“引力波提供了全新的手段，幫助科學(xué)家發(fā)掘過去以為是荒漠的觀測領(lǐng)域，尋找宇宙中的蛛絲馬跡?！?/p>
“三劍客”帶來精密測量的勝利
引力波的探測開啟了科學(xué)家“聽”宇宙的時(shí)代，使人類從測量宇宙中的電磁波、高能粒子等方式間接了解宇宙信息，到如今獲得了“主宰宇宙的引力的直接信息”，施郁說。
自然，這些直接信號(hào)帶來了更豐富的宇宙信息。施郁介紹稱，“以前關(guān)于黑洞的信息都是間接的，所以原來黑洞的存在并沒有被直接證實(shí)?，F(xiàn)在LIGO通過直接探測引力波證明了黑洞的存在及其一些性質(zhì)，比如面積不減，以及更細(xì)節(jié)的性質(zhì)。 ”
引力波帶來的變革令科學(xué)家對(duì)天文物理的未來充滿期待，但同時(shí)令科學(xué)家備受鼓舞的還有LIGO的精密測量能力。“僅就LIGO能達(dá)到的對(duì)遠(yuǎn)處微小振動(dòng)探測的精度而言，其獲得諾貝爾獎(jiǎng)也不為過?！?不過，曹則賢也同時(shí)認(rèn)為，關(guān)于波動(dòng)信號(hào)探測，理論上任何一點(diǎn)上獲得的時(shí)間序列信號(hào)，都不足以反演出波源的信息。因此，關(guān)于空間中大質(zhì)量物體合并機(jī)制的研究以及探測，未來也許還有更多的工作要做。
探測到極微弱的引力波是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。LIGO每個(gè)“L”形的干涉儀就像一對(duì)垂直的尺子一樣。一個(gè)經(jīng)過的引力波通常會(huì)讓這兩個(gè)4公里長的“手臂”以不同長度拉伸，通過對(duì)比在手臂上前后移動(dòng)的激光，物理學(xué)家可以探測到輕微的差別性拉伸。LIGO干涉儀就會(huì)以相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑1/10000的長度探測到其中的差異。
蔡一夫?qū)⑦@種探測形象地比喻為“大海撈針”，然而LIGO讓其成為了現(xiàn)實(shí)。因而，施郁將LIGO的成功也稱為“精密測量的偉大勝利”，并認(rèn)為它將進(jìn)一步推動(dòng)量子測量方面的研究。而這也是此次這三位科學(xué)家獲得諾獎(jiǎng)的重要原因，他們將理論與工程實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合在了一起。
曹則賢介紹稱，三位獲獎(jiǎng)?wù)咧?，外斯是最早提出用激光干涉儀探測引力波并作噪聲分析的，巴里什對(duì)建立LIGO作出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)，而索恩的貢獻(xiàn)則在于引力波探測和LIGO的理論方面。
外斯是一名爐火純青的發(fā)明者，一度曾從大學(xué)退學(xué)，他并非想到用干涉儀探測引力波的第一人。上世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家Robert Forward（羅伯特·福沃德）為這項(xiàng)任務(wù)建立了一個(gè)小型的干涉儀。然而，外斯對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了更徹底的分析，并認(rèn)識(shí)到需要進(jìn)行長達(dá)數(shù)公里的干涉儀。他還指出了外來噪音的主要來源，并在1972年未發(fā)表的一項(xiàng)報(bào)告中解釋了如何處理這些噪音，這成為LIGO的基礎(chǔ)。
經(jīng)過最初的懷疑之后，索恩開始支持這個(gè)項(xiàng)目，并敦促加州理工學(xué)院在1979年雇傭德雷弗開展引力波研究?？的螤柎髮W(xué)理論物理學(xué)家索爾·圖科斯基（Saul Teukolsky）表示，索恩也塑造了LIGO的科學(xué)目標(biāo)。例如在早期，許多物理學(xué)家認(rèn)為引力波最可能的來源是超新星爆炸。索恩意識(shí)到，相互旋轉(zhuǎn)的成對(duì)中子星或黑洞可能是更強(qiáng)有力的來源，并鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)者們選擇LIGO探測它們。索恩還敦促物理學(xué)家匯集大量的數(shù)值模擬，從而幫助在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的信號(hào)。
如果說是外斯和索恩構(gòu)思孕育了LIGO，那么巴里什則使它成為現(xiàn)實(shí)。1994年，他接手了這個(gè)項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)，當(dāng)時(shí)該項(xiàng)目被擱置，美國國家科學(xué)基金會(huì)也在考慮取消該項(xiàng)目。巴里什擴(kuò)大了LIGO的合作范圍，做了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)改變，并在2005年卸任之前看到了這個(gè)項(xiàng)目通過建設(shè)?！叭绻麤]有他的領(lǐng)導(dǎo)，LIGO就不會(huì)存在。”加州理工學(xué)院物理學(xué)家、LIGO項(xiàng)目最初成員之一斯坦利？惠特科姆（Stanley Whitcomb）說，“這是雷納和基普無法做到的?！?/p>
獲獎(jiǎng)只是開始
雖然在短短兩年多的時(shí)間內(nèi)，LIGO的引力波探測就已經(jīng)摘得了諾獎(jiǎng)桂冠，但科學(xué)家卻認(rèn)為這只是個(gè)開始。張新民告訴記者，目前看來利用引力波研究天體物理過程已經(jīng)非常成熟，未來引力波探測時(shí)間將成為“常態(tài)化”。
這意味著，引力波探測的消息會(huì)不斷出現(xiàn)在人們耳畔，隨之增加的相關(guān)研究數(shù)據(jù)的不斷豐富。隨著數(shù)據(jù)的積累，科學(xué)家對(duì)于遙遠(yuǎn)的宇宙的認(rèn)識(shí)，也將發(fā)生變革性的影響。
不僅如此，中科院紫金山天文臺(tái)研究員吳雪峰告訴記者，引力波源由黑洞和黑洞并合、黑洞和中子星并合、中子星和中子星并合等天體并合事件產(chǎn)生。目前LIGO所探測到的引力波事件，都是由雙黑洞并合事件所產(chǎn)生。而科學(xué)家期待著，未來LIGO、VIRGO等引力波探測裝置，可以探測到黑洞中子星并合、中子星中子星并合等不同類型的天體并合事件所產(chǎn)生的引力波信號(hào)。
吳雪峰稱，這黑洞和中星并合、中子星和中子星并合事件產(chǎn)生的引力波攜帶著豐富的電磁波信號(hào)，這意味著引力波電磁對(duì)應(yīng)體研究也有廣闊空間?！氨热缢芊裨诠鈱W(xué)、射電、伽馬射線等波段產(chǎn)生輻射，具體信號(hào)是什么，有待觀測去發(fā)現(xiàn)。在已經(jīng)來臨的引力波電磁對(duì)應(yīng)體觀測時(shí)代，目前的理論預(yù)言有些可能被觀測驗(yàn)證，甚至可能發(fā)現(xiàn)之前理論從未預(yù)言過的信號(hào)，后者將給科學(xué)家?guī)砀篌@喜。”他說。
此外，引力波研究還將帶來科學(xué)家對(duì)“宇宙從哪兒來”這一宇宙起源問題的深入研究。
據(jù)張新民介紹，宇宙暴脹時(shí)期循環(huán)宇宙產(chǎn)生的原初引力波，攜帶者宇宙起源的豐富信息。捕捉到原初引力波，將為科學(xué)家認(rèn)識(shí)宇宙的創(chuàng)生提供豐富的研究信息。而這也將是引力波相關(guān)研究未來的重要發(fā)展方向之一。據(jù)他介紹，目前位于中國西藏阿里計(jì)劃的觀測倉已基本完成，預(yù)計(jì)到2020年可以開始觀測。
總而言之，在科學(xué)家看來，無論對(duì)于相關(guān)理論研究還是觀測而言，這扇窗才剛剛開啟，也為中國科學(xué)家預(yù)留了廣闊的施展拳腳的空間。
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