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2017年诺贝尔物理学奖,属于研究引力波的 3 位美国科学家

大约一百年前,爱因斯坦(Einstein)就预言了引力波的存在。但此前,我们一直无法探测到引力波。

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周二,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 Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish),因引力波探测荣获诺贝尔物理学奖。引力波是一种时空波动,一个世纪以前阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)就预言了引力波的存在,但此前我们从未直接探测到这种波动。

2016 年 2 月,一个由物理学家和天文学家组成的国际合作组织发表声明称,他们记录下了 10 亿光年外两个巨大黑洞互相碰撞时发射出的引力波,引起了全世界的瞩目。他们的研究成果证实了爱因斯坦很久以前的预言:当巨大天体带着它们的重量旋转时,时空会像碗里的果冻一样发生震荡。这一预言让天文学家们得以与最深层的物理现实近距离接触,接触空间爆炸和无形的灾难。

这个国际合作组织名为 LIGO,全称“激光干涉引力波天文台”(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)。85 岁的韦斯博士、77 岁的索恩博士和 81 岁的巴里什博士,以及今年刚去世的加州理工学院教授罗恩·德雷弗(Ron Drever)是该组织的发起者兼创始人。

周二,诺贝尔物理学奖在斯德哥尔摩瑞典皇家科学院颁发。引力波的探测被形容为“震撼世界的发现”。摄影:Artist's rendering/Simulating eXtreme Spacetimes

1994 年至 2005 年间,巴里什博士负责领导这个项目。他重组了原本有才气、有雄心但却进展不顺的项目,把它变成了一个管理有方的“大科学”(Big Science)项目,为项目最终成功奠定了基础。

1916 年,爱因斯坦提出广义相对论,指出物质与能量会扭曲时空的几何形状,就像一个沉重的人睡在床上让床垫凹陷下去一样,我们所谓的重力也就是由此产生的。他的等式描述了一个拥有动态时间、空间的宇宙。时空可以延伸、扩展、撕裂、塌陷为黑洞。(黑洞密度很大,即使光也无法逃离。)某种程度上令爱因斯坦不快的是,这个等式预示,宇宙是由我们如今称之为大爆炸的现象膨胀演变而来的,此外它还预示,黑洞等巨大天体或其他行星死亡后残留的高密度物质会引起时空波动,产生引力波。

这些波动经过时会沿正交方向拉伸、压缩空间,就像声波压缩空气一样。不过,科学家一直没能直接探测到它们。于是,韦斯博士和当时还在格拉斯哥大学进行独立研究的德雷弗博士根据其他学者的研究,提出利用激光监测两面镜子之间的距离,探测引力波。1975 年,华盛顿一场会议期间,韦斯博士和当时知名的引力理论家索恩博士曾在旅馆房间里通宵头脑风暴,探讨引力波实验。

索恩博士回家后,聘请德雷弗博士前来加州理工学院,协助开发、打造基于激光技术的引力波探测器。与此同时,韦斯博士也正在麻省理工学院做同样的事。

当时的技术情况对他们很不利。研究人员计算发现,太空中的典型引力波对镜子之间距离的改变量级为十亿兆分之一,比质子的直径还小,几乎无法觉察。韦斯博士回忆起他在美国国家科学基金会(National Science Foundation)向潜在投资人解释这项实验时的情形:“每个人都觉得我们疯了。”

不过最终,美国国家科学基金会还是决定接下来 40 年里在这个项目上投入 10 亿美元,并要求两个组织合并。基金会之所以要这两个组织合并,是为了打造一对 L 型的天线,其中一个在华盛顿汉福德,另一个在路易斯安那州利文斯顿。这对天线有着长 2.5 英里的臂杆和世界上最大的真空隧道,激光会在真空隧道里沿臂杆穿过,进而检测空间的形状。

1987 年,最初由韦斯博士、德雷弗博士和索恩博士组成的三人领导层被替换,项目交由加州理工学院的罗切斯·沃格特(Rochus Vogt)一人管理。然而项目仍然没能取得成功,直到 1994 年,加州理工学院教授、有管理“大科学”项目出色经验的巴里什博士受命担任主管后,项目才有了起色。巴里什博士重新整顿了这个项目,将项目划分成了一个个反馈更敏锐的阶段,还在全球范围内创立了一个 LIGO 科学合作组织,联合各地天文学家、物理学家共同研究、分析数据。

目前正在波士顿大学就职的诺贝尔奖得主谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)说:“如果没有他,我们不可能探测到引力波。”

2015 年 9 月,最先进的 LIGO 刚刚启动使用时,两个互相碰撞的黑洞产生的震动让路易斯安那州和华盛顿州的探测器发出了 1/15 秒上升的音调,或者说“啁啾声”。

这段声音堪称进入天文学新世界的“开盘钟”。那之后,LIGO(近来 LIGO 又接入了一个全新的欧洲探测器 Virgo)又探测到了至少 4 次黑洞碰撞事件,打开了一扇窗户,让我们得以了解黑洞未知的全新一面,告诉我们天空中可能还有甚至更加激动人心的事情在发生。

左起: Rainer Weiss, Barry Barish 和 Kip Thorne, 他们是 LIGO 的建设者和领导者。图片摄影:Artist's rendering/Simulating eXtreme Spacetimes

韦斯博士 1932 年生于柏林,并于 1939 年经由捷克斯洛伐克来到纽约。读高中时,他成为了搭建高质量声音系统的专家。随后,他进入麻省理工学院,计划修读电气工程。在前往伊利诺伊州追寻一段最终失败的恋情时,他不小心辍学了。回来后,他去了一家物理实验室工作,并最终获得了麻省理工学院授予的博士学位。

索恩博士是在犹他州出生、长大的。他先是获得了加州理工学院的学士学位,后又在约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)的指导下获得了普林斯顿大学的博士学位。惠勒致力于宣传爱因斯坦的理论,他创造了黑洞这个术语,还向索恩博士介绍了它们的神秘之处。随后,索恩表示:“他颠覆了我的想法。”索恩对黑洞的热忱并不仅限于科学期刊。如今身为加州理工学院荣誉教授的他还曾当过《星际穿越》(Interstellar)的创作者和执行监制之一。这部 2014 年的电影讲述的是宇航员在为人类探寻新家园的途中,穿过虫洞、遇到巨大黑洞的故事。

巴里什博士出生于美国内布拉斯加州奥马哈市,在洛杉矶长大,在加州大学伯克利分校攻读物理,获得了该校的博士学位,并最终加入了加州理工学院。作为“大科学”项目的主管之一,接管 LIGO 前,他领导一支团队为庞大的超导超级对撞机设计了一个价值 10 亿美元的探测器。若非 1993 年被国会取消,这台机器将会是目前全球最大的粒子对撞机。

随后,巴里什博士领导多国科学家合作设计了国际直线对撞机(International Linear Collider)。如果建成,它将会成为世界上下一台大型粒子加速器。

此次被授予诺贝尔奖后,韦斯博士和索恩博士可以说是获得了“科学大满贯”。过去两年,他们和德雷弗博士一起获得了一系列久负盛名、奖金丰厚的奖项,包括卡夫利天体物理学奖(Kavli Prize for Astrophysics)、格鲁伯宇宙学奖(Gruber Cosmology Prize)、邵逸夫天文学奖(Shaw Prize in Astronomy)和基础物理学突破奖(Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics)。如果德雷弗博士还在世,他也会获得今年的诺贝尔奖。然而他今年三月刚刚去世,而诺贝尔奖不会追授给逝者。

还有谁获得了今年的诺贝尔奖?

周一,杰弗里·C·霍尔(Jeffrey C. Hall)、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·W·扬因发现控制人体生理节律的分子机制,荣获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖(Nobel Prize in Medicine)

谁获得了 2016 年的诺贝尔物理学奖?

戴维·J·索利斯(David J. Thouless)、F·邓肯·M·霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和J·迈克尔·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz )被授予 2016 年的诺贝尔物理学奖,以表彰他们对超导体、超流体和薄磁场等物质在极端状态下的奇异特性进行的研究。

还有四项诺贝尔奖将在接下来几天逐一揭晓:

2017 诺贝尔化学奖将于周三在瑞典公布。

2017 诺贝尔和平奖将于周五在挪威公布。

2017 诺贝尔经济学奖将于 10 月 9 日周一在瑞典公布。

翻译 熊猫译社 钱功毅

题图来自 视觉中国

© 2017 THE NEW YORK TIMES

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