眾望所歸：引力波探測(cè)摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

蔡立英/編譯

眾望所歸：引力波探測(cè)摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

蔡立英/編譯

三位物理學(xué)家因在引力波的首次直接探測(cè)中做出了決定性貢獻(xiàn)，摘得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

美國麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯（Rainer Weiss）、加州理工學(xué)院的巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）因他們?cè)谖挥诿绹募す飧缮嬉Σㄌ煳呐_(tái)（LIGO）探測(cè)引力波的工作，分享了900萬瑞典克朗的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金。2015年9月，LIGO首次探測(cè)到兩個(gè)遙遠(yuǎn)黑洞碰撞產(chǎn)生的時(shí)空扭曲所發(fā)出的引力波。

這一重大發(fā)現(xiàn)于2016年2月公布，從此開創(chuàng)天文學(xué)的一個(gè)新時(shí)代——科學(xué)家們聆聽宇宙中最劇烈的事件發(fā)出的時(shí)空波動(dòng)。而且，這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了愛因斯坦在一個(gè)世紀(jì)前就已預(yù)言的引力波的存在。

韋斯和索恩是被譽(yù)為“LIGO三巨頭”的三位物理學(xué)家中的其中兩位，他們是LIGO的兩個(gè)相同的巨大探測(cè)器的創(chuàng)建者，一個(gè)探測(cè)器位于路易斯安那州利文斯頓，一個(gè)探測(cè)器位于華盛頓州漢福德。我們也不應(yīng)該忘記LIGO三巨頭中還有一位物理學(xué)家的貢獻(xiàn)，那就是羅納德·德雷弗（Ronald Drever），他于2017年3月7日去世。巴里什在1997～2005年間擔(dān)任LIGO主任，他把原先混亂無序的LIGO合作項(xiàng)目變成了動(dòng)力十足、運(yùn)轉(zhuǎn)良好的LIGO科學(xué)合作組織，得到廣泛贊譽(yù)。

“我更愿意把我獲得的這個(gè)諾獎(jiǎng)看作是對(duì)這個(gè)大約1 000人的研究團(tuán)隊(duì)工作的認(rèn)可，雖然我非常不情愿地告訴你，我們?nèi)硇耐度氲綄ふ乙Σǖ呐χ两褚殉掷m(xù)了40年?！表f斯在剛剛榮獲諾獎(jiǎng)后，與諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)一同接受采訪時(shí)發(fā)出這樣的感慨。

“我們都為他們的獲獎(jiǎng)高興不已，他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域工作了數(shù)十年?！甭芬姿拱材侵萘⒋髮W(xué)的物理學(xué)家、LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員和LIGO科學(xué)合作組織前發(fā)言人加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela Gonzalez）表示。雖然諾貝爾獎(jiǎng)按規(guī)定最多只能同時(shí)授予3人，但是諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)在揭曉2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的新聞發(fā)布會(huì)上，特別提到了投身LIGO項(xiàng)目的科學(xué)家群體的貢獻(xiàn)。

自從去年LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)宣布探測(cè)到引力波后，全世界的科學(xué)家普遍期待著諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)把諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。“我很欣喜，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)選對(duì)了人。”馬里蘭大學(xué)的廣義相對(duì)論理論家查爾斯·米斯納（Charles Misner）表示。獎(jiǎng)金的一半授予韋斯，另外一半由巴里什和索恩分享。

無阻礙的運(yùn)動(dòng)

在LIGO探測(cè)到引力波之前，幾乎沒有物理學(xué)家懷疑引力波的存在。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，時(shí)空扭曲產(chǎn)生引力波是不可避免的結(jié)果，而且?guī)缀鯐?huì)無阻礙地傳播到宇宙。1974年，科學(xué)家檢驗(yàn)了一對(duì)并合的中子星發(fā)射的射電閃光的周期變化與愛因斯坦預(yù)測(cè)的引力波輻射損耗是一致的，從而間接證實(shí)了引力波的存在。這一發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但是，直接探測(cè)引力波是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。即使是最高能的時(shí)空扭曲——那些由恒星塌縮或黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，到達(dá)地球時(shí)強(qiáng)度也會(huì)變得極其微弱。2015年探測(cè)到的引力波分別拉伸和壓縮了LIGO長達(dá)4 000米的L型真空長臂，導(dǎo)致的臂長變化量比質(zhì)子還要小很多，卻足以讓在長臂內(nèi)來回反射的同步激光束移動(dòng)的距離出現(xiàn)顯著的不同。

羅納德·德雷弗是LIGO項(xiàng)目最初的共同創(chuàng)建者之一，于2017年3月逝世

20世紀(jì)60年代，美國和蘇聯(lián)的物理學(xué)家最早提議利用激光干涉儀來探測(cè)引力波。1972年，韋斯最先詳細(xì)計(jì)算出干涉儀的工作方法。利用激光干涉儀來探測(cè)引力波這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)看起來是那么牽強(qiáng)，甚至連韋斯自己都不確定是否能行。當(dāng)時(shí)，韋斯告訴科學(xué)社會(huì)學(xué)家哈里·柯林斯（Harry Collins）：“可能大約一年時(shí)間，我們就會(huì)面臨抉擇，發(fā)現(xiàn)它不值得我們繼續(xù)做下去。”

韋斯1932年出生于德國，為了躲避納粹迫害跟隨家人于1938年移民美國。20世紀(jì)70年代中期，他建造了首個(gè)干涉儀樣機(jī)，很快得到了歐洲科學(xué)家的追隨——其中包括英國格拉斯哥大學(xué)的德雷弗及其同事和德國慕尼黑的另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。

索恩1940年出生于美國猶他州，父母是摩門教徒。索恩是研究廣義相對(duì)論的專家，也在發(fā)展引力波理論。1975年，在華盛頓的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，因旅館爆滿，索恩和韋斯同住一間房。在他們的交談中，韋斯說服索恩相信干涉儀是探測(cè)引力波的正確方法。20世紀(jì)80年代，當(dāng)美國國家科學(xué)基金會(huì)明確表示不會(huì)資助兩個(gè)單獨(dú)的引力波探測(cè)項(xiàng)目時(shí)，索恩、韋斯和德雷弗聯(lián)手，于是就誕生了LIGO科學(xué)合作組織。

戲劇性的轉(zhuǎn)機(jī)

“LIGO三巨頭”并不總是合作融洽，他們自己也承認(rèn)，沒有掌握恰當(dāng)?shù)募记晒芾砗眠@個(gè)很快壯大成一個(gè)龐大組織的項(xiàng)目。1994年起擔(dān)任LIGO項(xiàng)目首席科學(xué)家的巴里什在1997年擔(dān)任LIGO主任后，情況發(fā)生了戲劇性的改善。柯林斯持續(xù)幾十年都在密切關(guān)注和研究LIGO科學(xué)合作組織，他認(rèn)為，是巴里什把LIGO真正變成了一個(gè)“大科學(xué)”研究組織?！叭绻皇前屠锸沧孡IGO科學(xué)合作組織出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，它很可能早就散掉了。”他指出。

LIGO項(xiàng)目最初努力爭取政府的資助，最終成為美國國家科學(xué)基金會(huì)歷史上規(guī)模最大、最燒錢的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。LIGO的兩個(gè)幾乎相同的探測(cè)器最早在2002年啟動(dòng)運(yùn)行，在數(shù)據(jù)收集的最初階段，大家公認(rèn)它們探測(cè)到任何引力波信號(hào)的希望渺茫。2010年，LIGO暫時(shí)關(guān)閉進(jìn)行了重大升級(jí)改造，于2015年9月重啟，靈敏度比以前提高了3倍。

科學(xué)家們對(duì)于LIGO能否在重啟之后的幾年時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)引力波持謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度。但是宇宙對(duì)LIGO很厚愛，在2015年9月14日就提供了一個(gè)劇烈的引力波事件，當(dāng)時(shí)干涉儀還在校準(zhǔn)，比正式的運(yùn)行日期還要早數(shù)日。從那以后，LIGO至少又探測(cè)到了3次引力波事件——最近一次引力波事件同時(shí)也被位于意大利比薩附近的“處女座”（Virgo）引力波探測(cè)器觀測(cè)到了。

LIGO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也從其他國家的重要研究努力中受益。德國和英國貢獻(xiàn)了經(jīng)費(fèi)和研究，位于德國漢諾威附近的一個(gè)更小的干涉儀GEO600是位于美國的更大的干涉儀LIGO所采用的探測(cè)技術(shù)的主要試驗(yàn)臺(tái)。

2017年的這三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主還非常博學(xué)多才：韋斯除了在LIGO項(xiàng)目工作，還是宇宙背景探測(cè)器（COBE）的領(lǐng)銜科學(xué)家，COBE是美國宇航局發(fā)射的一顆探測(cè)衛(wèi)星，在20世紀(jì)90年代繪制出了第一幅宇宙微波背景輻射圖——宇宙大爆炸的“余輝”。（另兩位COBE研究者分享了2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。）索恩不僅是引力波理論研究的先鋒，還幫助2014年的好萊塢科幻大片《星際穿越》構(gòu)思了最初的情節(jié)，擔(dān)任該片的執(zhí)行制片人。巴里什在加盟LIGO之前，在伊利諾伊州巴達(dá)維亞的費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室和其他地方從事中微子實(shí)驗(yàn)研究。他還領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)擬建中的國際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）的設(shè)計(jì)。

大家普遍認(rèn)為，索恩和韋斯摘得諾獎(jiǎng)桂冠是十拿九穩(wěn)的。在德雷弗于2017年3月去世之前，“LIGO三巨頭”幾乎包攬了他們能拿的所有大獎(jiǎng)，包括獎(jiǎng)金300萬美元的基礎(chǔ)物理學(xué)特別突破獎(jiǎng)，獎(jiǎng)金50萬美元的格魯伯基金會(huì)宇宙學(xué)獎(jiǎng)，獎(jiǎng)金120萬美元的邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)以及獎(jiǎng)金100萬美元的卡弗里天體物理學(xué)獎(jiǎng)。

左起依次為雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他們領(lǐng)導(dǎo)了引力波探測(cè)工作

● 雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩因他們?cè)诩す飧缮嬉Σㄌ煳呐_(tái)探測(cè)“時(shí)空漣漪”的貢獻(xiàn)分享了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥 隱]