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　　相幹新聞：

　　諾貝爾物理學獎揭曉 三位科學家因引力波獲獎

　　引力波為什麼獲諾獎？通俗易懂給你講一遍

　　獲諾貝爾物理學獎的引力波是啥？要從愛因斯坦說起

　　2017年度諾貝爾物理學獎獲獎者到底是誰？

　　新浪科技訊  日期:10月3日薄暮新聞，剛剛，瑞典皇家科學院宣布將2017年諾貝爾物理學獎授予三位引力波探測規劃的主要科學家，三人均來自LIGO/VIRGO合作組，以嘉獎他們在「LIGO探測器和引力波探測方面的決意性貢獻」。獎金的一半授予萊納·魏斯（Rainer Weiss），別的一半由巴里·巴里什（Barry C。 Barish）和基普·索恩（Kip S。 Thorne）兩人分享。

　　時空漣漪

　　2015年9月14日，LIGO探測器目睹了一次時空中的漣漪：人類首次檢測到了引力波信號。儘管這一旌旗燈號在抵達地球時極其微弱，但它已掀起了一場物理學的全新革命，是我們觀察宇宙事務並檢測我們常識極限的嶄新手段。

　　人類初次探測到的引力波旌旗燈號源自數億年之前兩個黑洞發生的碰撞。愛因斯坦再一次被證實是准確的。自愛因斯坦預言引力波存在以後，時間又過了100年，但當初愛因斯坦儘管提出了引力波存在的理論，但他本人並不相信引力波有朝一日可以或許被探測到。

　　LIGO的全稱是「激光干涉引力波天文台」，這是一個由來自20多個國度的上千名科學家們共同介入的大型合作項目。這些科學家們共同努力，實現了一項延續跨越半個世紀的夢想——引力波的直接探測。2017年度諾貝爾物理學獎的獲獎人們以他們的熱忱和決心，成為了實現LIGO的成功背後不行或缺的關鍵人物。萊納·魏斯，巴里·巴里什和基普·索恩領導了全部項目標推動，直到最終完成，確保了40多年的盡力終究結出碩果，獲得了初次引力波探測的成功。

　　在國際合作組完成終究的數據分析工作之前大約5個月，傳言便最先四周撒播，但研究組一直對此保持緘默，他們在完全確信之前不敢隨意馬虎發佈消息，直到2016年的2月11日一鳴驚人。

　　除是首次觀測到引力波以外，LIGO項目標科學家們在那次發現中還創造了多項第一。比如說，這有旌旗燈號初次證實宇宙中存在質量介於30~60倍太陽質量的黑洞而且它們之間可以産生合併。在合併的一刹時，產生的引力波信號要強過宇宙中所有恆星的星光的總和。

　　時空的震動

　　一片黝黑之中，兩個黑洞的碰撞產生的震動旌旗燈號打破了宇宙的沉靜。就像一顆小石頭丟進平靜的湖面，引力波像一道道漣漪，在時空中散佈開來。但它依然需要時候才能抵達地球。儘管引力波信號以光速傳播，它依然需要數億年的時候才抵達我們這裏。

　　2015年的9月14日，在美國兩台LIGO探測器的記錄儀上，數據曲線呈現了一條細小的波動，這是13億光年外兩個黑洞的碰撞發出的旌旗燈號。

　　LIGO並不是泛泛意義上的千裏鏡，它並非用於光學探測，甚至不是用於領受電磁波，它的用處是用來凝聽宇宙深處的引力波信號，即使引力波的素質是時空本身產生的漣漪。

　　數十年來，物理學家們一向在測驗考試探測愛因斯坦在百年之前預言的引力波。愛因斯坦指出，時空具有「彈性」，當有質量的物體加速時產生的引力波將會造成四維時空的波動，好比遙遠星系內恆星的爆炸，或兩個黑洞在合併之前的高速扭轉等等。和引力波一樣，黑洞本身也是由愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論所描述的。在後來跨越50年的時候里，大部分主流科學家一向認為黑洞只是愛因斯坦方程組的一個解，而非實際存在於宇宙中的真實天體。

　　相對論將引力視作是時空的扭曲。當引力極端壯大時，時空的扭曲可以到達極限，形成一個黑洞。黑洞是時空中最為奇異的天體——沒有任何工具可以或許逃離黑洞，光線都不可。也正因為如斯，黑洞一向是物理學中的一種神秘存在。引力波帶給科學家們一種希望，他們或許可以測驗考試去檢測一種此前從未想過的全新的旌旗燈號，但關於時空的謎團事實是否可以或許真正被揭開依然難以預料。在很長一段時間里，愛因斯坦本人一向確信引力波旌旗燈號是不可能被檢測到的，因為他本身都不克不及必定這事實是真實存在的現象照樣只是一種數學計算上的假象。

　　他那時的同事，英國大科學家亞瑟·愛丁頓更是完全不相信引力波這種說法，他說，引力波不是以光速傳播，而是以「思想的速度在傳佈」，以此表達自己對此現象真實性的質疑。

　　一向到上世紀1950年月末，引力波的設法主意才起頭逐步被更多人接受，當時的計較效果證明引力波應當可以攜帶有能量，是以至少從理論上說也許是可以被檢測到的。第一個非直接證據呈現在1970年代，當時美國天文學家約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和拉塞爾·赫斯（Russell Hulse）利用一台大型射電千裏鏡對一對脈衝雙星進行了觀測。他們的觀測顯示這兩顆緻密星體之間相互繞轉的速度不息加速，並在此過程中損失能量並彼此接近。計較顯示其落空的能量值契合引力波理論的預測數值。由於這項成就，約瑟夫·泰勒與拉塞爾·赫死被授與了1993年的諾貝爾物理學獎。但是，他們兩人的工作畢竟依然是間接的。我們依然希望能夠直接檢測到引力波的旌旗燈號。

　　但要在時空中產生漣漪異常難題，因此只有宇宙中最為猛烈的事宜才有可能產生出能夠被檢測到的引力波旌旗燈號。但即使如此，這種旌旗燈號依然極為微弱———檢測它們就像測量一顆10光年外恆星的距離，而且要求你正確到一根頭髮絲直徑。因此，儘管我們知道全部宇宙中四處都是引力波引發的漣漪，但銀河系內部發生的，且可以或許被檢測到的那種強烈旌旗燈號卻是相對較少的，我們必需期望宇宙中那些更加遙遠的處所。

　　用引力波回溯曩昔

　　現在，我們檢測到了引力波的信號。產生這一旌旗燈號的兩個黑洞自宇宙初期誕生之初便一向在互相繞轉，並最終合二為一。它們之間每繞轉一圈，便在時空之中構成一道漣漪，這些漣漪以引力波的情勢，在宇宙時空之中不息散佈遠去。這些漣漪攜帶有能量，於是兩個黑洞便通過這類體式格局損失了能量，這讓它們兩者之間的距離越靠越近，速度也變得越來越快，於是損失能量的速度也就愈來愈快，如許的過程延續了數百萬年。終究，在一刹時，兩個黑洞的事宜視界相互接觸，兩個黑洞終究合併。在合併的一刹時，所有震動全部消逝，只剩下一個無缺的，但是質量更大的自轉的黑洞，完全看不到任何狂暴歷史産生過的陳迹。

　　但這是假象。有關曾經存在過的兩個黑洞合併的歷史並沒有完全消逝——這段歷史被潛藏在那時空的漣漪之中。引力波不竭拉伸或緊縮著它通過的時空，不同的「調子」訴說著分歧的故事。如果我們可以或許聆聽所有的引力波信號，而不單單是個中那些最強烈的信號，那麼整個宇宙將像一座佈滿音樂的殿堂，就像叢林中各種鳥兒的合唱，各類聲音此起彼伏。在數十億年以後，隨著兩個黑洞宿命般的終究合併，音樂將迎來熱潮，然後，一片死一樣的寂靜，彷彿一切都不曾發生。為何如斯恬靜？

　　因為產生這些信號的泉源太甚遙遠了。引力波和光波一樣，隨著傳播距離增添，其強度會衰減。是以當引力波信號傳遞到我們這裏時，它的強度已大大削弱了——LIGO項目捕捉到的引力波旌旗燈號激發的時空變化，其水平不跨越一個原子核直徑的千分之一。

　　LIGO——巨型干涉儀

　　對很多介入引力波研究的科學家來講，這個夢已縈繞了跨越五十年，而實現胡想的路不但漫長、盤曲，有時候還非常艱苦。用於探測引力波的第一台探測器就像一把音叉，只對某一特定頻率的波敏感。可是，馬里蘭大學的約瑟夫？韋伯（Joseph Weber）只能猜想黑洞在碰撞融合時會以什麼樣的頻率「引吭高歌」。他在20世紀60年月建立了第一台探測器，當時很多人都對引力波，乃至黑洞的存在透露表現懷疑。是以，當韋伯在20世紀70年代宣布已經探測到引力波時，激發了科學界的轟動。但是，沒有人能夠重複韋伯的成效，他的觀測被認為是誤報。

　　在20世紀70年代中期，儘管思疑的聲音不斷，但基普？索恩和萊納？魏斯堅定地認為，引力波可以或許被探測到，並且將為我們對宇宙的認識帶來革命性的影響。萊納？魏斯已對可能干擾測量的後臺噪音來源進行了分析。他還觸及了一台探測器——基於激光的干涉儀，可以很好地解決噪音問題。

　　就在萊納？魏斯在麻省理工學院研發探測器的同時，基普？索恩也最先與朗納？德瑞福（Ronald Drever）合作，後者在蘇格蘭格拉斯哥大學成立了引力波干涉探測器的雛形。德瑞福後來搬到洛杉磯的加州理工學院，插手索恩的研究團隊。魏斯、索恩和德瑞福三人成為了引力波探測範疇的前驅，向導了該範疇多年以來的成長。德瑞福最終離開了LIGO項目標首要線路，但仍是得以見證引力波的初次發現。2017年3月7日，德瑞福在蘇格蘭愛丁堡的家中謝世，享年85歲。

　　與韋伯的「音叉」設計分歧，萊斯、索恩和德瑞福開辟了另外一種裝配：一台激光干涉儀。該裝配的道理早已為人所知：由兩支長臂構成「L」形的干涉儀，在「L」形的角和兩頭，將偉大的鏡子懸挂在一個精密的裝備以內。顛末的引力波對干涉臂的影響分歧——此中一支臂被緊縮，另外一支臂則伸長。

　　通過在鏡子之間反射的激光束，天文學家可以測量出兩支干涉臂的長度轉變。假如沒有環境産生，反射的激光會在「L」形轉角處相互抵消。若是個中一支干涉臂的長度改變，那激光移動的距離就分歧，從而失去同步性，並使激光在相遇時的強度發生改變。

　　根基的設法很簡單，可是關頭在於細節——若何真正實現探測？行使大型舉措措施去檢測不到原子核直徑還小的微觀變化絕非易事，科學家們破費了超過40年的時候才做到這一點。科學家們給出的方案是如許的：建造兩台大型干涉儀，每台都有長達4公里的直線管道，光線可以或許在個中屢次反射，從而經由過程延長光線傳播路徑的體式格局放大時空中可能存在的任何拉伸或縮短。

　　LIGO的此中一台舉措措施建在美國西北部的大草原上，就在華盛頓州漢福德四周，別的在大約3000公里以外的路易斯安那州列文斯頓四周也豎立了一台如出一轍的舉措措施。設計並製造可以或許進行如斯正確丈量的各類設備儀器花費了許多年時候。這需要複雜的闡發和進步前輩的理論，幸虧在這方面加州理工學院的基普·索恩是專家。然則，要想研製這些尖端裝備，你需要驚人的工程學天才和工藝手段，而在這方面萊納·魏斯作出了開創性的貢獻。別的，激光的波長和強度都必需儘可能不變，而且光波必需可以或許切確擊中管道內懸吊的反射鏡。這也就是說，懸吊的反射鏡完全不成以有任何晃悠或震動，即使四周有樹葉飄落，孩子們在附近奔馳，甚至遠處有卡車駛過。但與此同時，這些懸吊的鏡面又必需確保在有引力波旌旗燈號通過時，即便是最微弱的信號也可以或許確保使其晃動。你還必需抵償反射鏡概況的原子熱活動和激光量子效應所產生的誤差。

　　這就意味著必需研發新的激光手藝，開辟全新的材料，建造龐大的真空管道，研發進步前輩的避震技術和大量其他方面的全新設計和手藝。很快人們就發現，要想運行這樣一個舉措措施，一個小規模的團隊會顯得力不從心。於是到了1994年，當巴里·巴里什接過LIGO負責人職務之後，他將本來僅有40人閣下的小團隊敏捷擴充，構成一個包羅上千名來自全球各地科學家的國際合作團隊。他各處尋覓符合前提的優異專家，併為項目組帶來各個國家的無數優異的研究團隊。恰是經由過程這種大科學項目中的共同努力，初次引力波探測的豪舉才能變為現實。

　　當即傳回的旌旗燈號

　　2015年9月，在為期數年的升級完成以後，LIGO準備再次啟動。現在，研究團隊有了更壯大的激光、重達40公斤的鏡子、極為先進的噪音過濾裝配，和世界上最大的真空系統之一。在嘗試正式開始的幾天之前，他們就捕獲到了引力波旌旗燈號。這個波先是顛末利文斯頓的探測器，以光速傳播了7毫秒以後，呈現在3000公里之外的漢福德區。

　　2015年9月14日清晨，從計較系統獲得的信息發送了出去。此時的美國還沉醉在夢鄉當中，可是在德國的漢諾威，時候是上午11：51；在馬克斯普朗克引力物理研究所，年青的物理學家Marco Drago正準備享用午飯。忽然間，他瞥到了一道曲線，而這正是他操練識別了無數次的曲線外形。他真的要成為世界上第一個看到引力波的人了嗎？或這隻是一個誤報，是只有少數人知道的一場隨機盲測罷了？

　　這個波的形狀與猜測的完全一致，並且這不是一場測試。一切都完美地吻合。現在，引力波研究的前驅者們都已八十多歲，他們的LIGO同事們終於將他們魂牽夢繞的引力波出現在面前。這個消息仿佛太好了，以致於有點不真實。在第二年2月動靜發佈之前，LIGO團隊的成員們都還不被答應把消息泄漏給任何人，甚至他們的家人。

　　此次被稱為「GW 150914」的探測事務沒有孤負研究人員的期待。從引力波信號中，他們發現兩個目標黑洞離別比太陽重29和36倍，但直徑都不跨越200公里。它們融會構成的黑洞大約為62倍太陽質量，是以在十分之幾秒的時候里，它們以引力波的形式釋放出了相當於3倍太陽質量的輻射。GW 150914事宜同樣成為這段極短刹時內宇宙中産生的最強烈的輻射事宜。該信號還表明，此次猛烈的事務産生在南邊天空，距離地球約13億光年。這意味著黑洞碰撞産生在13億年前，其時地球上的生命正從單細胞向多細胞發展。

　　在初次發現以後，LIGO還觀測到了兩次類似的事宜。位於歐洲的「童貞座干涉儀」（VIRGO，位於義大利比薩附近）在2017年8月加入了LIGO，並在9月27日宣布了他們的第一項結合發現功效。所有三台探測器都在2017年8月14日探測到了不異的宇宙引力波——來自18億光年外兩個中型黑洞的碰撞。

　　這些探測器至今已觀測到了4次「宇宙漣漪」，而天文學家等候著更多的發現。印度和日本也在建設新的引力波觀測台。有了相距遙遠的多個探測器，研究人員將可以或許正確地找出信號泉源。有了引力波的觀測成績，天文學家還可以哄騙光學千裏鏡、X射線千裏鏡和其他類型的望遠鏡做進一步的研究。

　　截至今朝，所有電磁輻射和粒子，如宇宙射線和中微子等，都已被用來摸索宇宙。但是，引力波是時空自己存在擾動的直接證據。這是一種全新的、不同的器材，為人類開啟了完全陌生的世界。對於能成功捕獲引力波並翻譯此中信息的研究者來講，這意味著無數新穎的發現等待著他們。（晨風，任天）