2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩

瑞典當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月3日上午11點(diǎn)50分，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)委員、瑞典皇家科學(xué)院秘書長(zhǎng)約蘭·漢森宣布，將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予3位美國(guó)物理學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss） 、巴里·巴里什 （Barry Barish ）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne），以表彰他們對(duì)引力波探測(cè)器LIGO的決定性貢獻(xiàn)及其對(duì)引力波的觀察。900萬瑞典克朗（約合人民幣733.9萬）的獎(jiǎng)金一半將授予麻省理工的雷納·韋斯教授，另一半則由來自加州理工學(xué)院的巴里·巴里什和基普·索恩分享。

現(xiàn)場(chǎng)記者連線采訪韋斯時(shí)，他說：“當(dāng)我們2015年9月探測(cè)到引力波時(shí)，很多人不敢相信。經(jīng)過數(shù)月時(shí)間，科學(xué)家們才逐步說服自己，引力波的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是個(gè)事實(shí)。這是令人非常激動(dòng)的時(shí)刻。”

在評(píng)委會(huì)發(fā)布的新聞公告上如此評(píng)價(jià)：對(duì)引力波的成功探測(cè)使我們了解宇宙開端的真相成為可能。LIGO通過直接探測(cè)到引力波，證明了黑洞的存在及其性質(zhì)。引力波也給我們提供了了解宇宙的另外一個(gè)全新維度。可以說之前僅僅是看到的宇宙的圖景，卻沒有聲音。引力波使我們對(duì)宇宙的了解上升到。在此之前我們對(duì)宇宙的了解僅限于畫面，而引力波的探測(cè)使我們可以通過聲音去探索宇宙，改變了之前對(duì)宇宙單一的認(rèn)知方法，發(fā)起了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知革命。

約蘭·漢森在新聞發(fā)布會(huì)上稱“今年獲得物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)震驚了世界”。

美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)

引力波：探索宇宙新方式

400多年前，當(dāng)伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡指向星空，讓人類看見清晰的太空時(shí)，就再?zèng)]停止對(duì)這個(gè)神秘的空間進(jìn)行探尋。100年前愛因斯坦廣義相對(duì)論的提出，預(yù)言了時(shí)空的“漣漪”——引力波的存在。做加速運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量天體可以劇烈地撼動(dòng)時(shí)空，并且空間扭曲的波動(dòng)將從波源輻射出去，就是引力波。這些以光速傳播的“漣漪”攜帶了天體源激烈動(dòng)蕩的信息以及關(guān)于引力本質(zhì)的線索。捕捉到引力波，人們就可以用一種前所未有的方式探索宇宙。

但是引力波的測(cè)量困難得異乎尋常，雖然天體通過引力波釋放的能量是驚人的，但因?yàn)樗鼛缀醪缓臀镔|(zhì)相互作用，所以引力波總是“率性”而至，似乎什么都阻擋不住它的步伐，因此它包含著源的中心區(qū)域最核心的信息。可是，引力波的“率性”在帶來核心信息的同時(shí)，也讓探測(cè)極為困難。直到1974年物理學(xué)家約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr）和拉塞爾·赫爾斯（Russell Alan Hulse）發(fā)現(xiàn)了處于雙星系統(tǒng)中的脈沖星，該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量，這間接證明了引力波的存在。泰勒和赫爾斯也因這項(xiàng)工作榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

確定引力波是真實(shí)存在的物理現(xiàn)象后，如何探測(cè)引力波成為很多天文物理學(xué)家的研究方向。

兩顆黑洞相互盤旋發(fā)出引力波示意圖

LIGO：傾聽宇宙的招風(fēng)巨耳

用激光干涉的方法測(cè)量引力波是由雷納·韋斯提出的，作為電影《星際穿越》的科學(xué)顧問兼制片人，基普·索恩關(guān)注并合理地改進(jìn)了這一方法。于是，在上世紀(jì) 90 年代，由加州理工和麻省理工合作主導(dǎo)的兩個(gè)激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為L(zhǎng)IGO）正式開工建設(shè)。有趣的是，當(dāng)LIGO項(xiàng)目早期尋求美國(guó)政府的資金支持時(shí)，它在國(guó)會(huì)面對(duì)的最大反對(duì)者竟然是天文學(xué)家們。反對(duì)的聲音并不能阻止科學(xué)家們探究的興趣和腳步。與美國(guó)的LIGO同期建立的激光干涉引力波探測(cè)儀，還包括日本的TAMA300，德國(guó)的GEO600，意大利的Virgo等，數(shù)臺(tái)第一代激光干涉引力波探測(cè)儀在全球開花。

美國(guó)LIGO的兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)儀分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000千米，就像是一對(duì)“傾聽宇宙的招風(fēng)巨耳”。只有當(dāng)兩個(gè)探測(cè)儀同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年開始運(yùn)行。

但在2002年至2011年期間，雖然全球各地的探測(cè)儀都在監(jiān)測(cè)，并未探測(cè)到引力波。直到2015年，兩個(gè)升級(jí)版的高新激光干涉引力波天文臺(tái)（ALIGO）正式投入運(yùn)行。9月14日，剛剛開機(jī)3天的ALIGO便探測(cè)到了距離地球13億光年之外的兩個(gè)黑洞在合并過程中放射出的引力波。這是在愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論一百年之后，人類第一次發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)，這意味著人類真實(shí)地探測(cè)到了很久很久以前，一個(gè)很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的星系發(fā)生的一件驚天動(dòng)地的大事！這個(gè)發(fā)現(xiàn)以系列論文的形式發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）雜志和《天文期刊》（The Astrophysical Journal）雜志上。基普·索恩稱之為“是人類觀測(cè)到的除了宇宙大爆炸之外最為劇烈的爆炸。”

12月26日，在首次探測(cè)到引力波信號(hào)僅3個(gè)月之后，ALIGO的兩個(gè)探測(cè)器就再次記錄到了新的引力波信號(hào)。跟上次一樣，這一引力波信號(hào)也源自于兩個(gè)黑洞即將合二為一之時(shí)最后的相互繞轉(zhuǎn)。

作為一個(gè)擁有近千名科學(xué)家的大型合作組織，LIGO科學(xué)合作組織對(duì)待自己的數(shù)據(jù)非常謹(jǐn)慎，直到2016年2月11日， 才對(duì)外宣布，ALIGO首次直接探測(cè)到引力波和首次觀測(cè)到雙黑洞碰撞與并合。發(fā)布會(huì)上，LIGO科學(xué)合作組織表示“ALIGO是世界上最精密的測(cè)量?jī)x器”。那時(shí)的天文物理學(xué)界就開始紛紛猜測(cè)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)對(duì)LIGO的召喚不遠(yuǎn)了。

探尋引力波 中國(guó)也有大動(dòng)作

在LIGO科學(xué)合作組織近千名科學(xué)家中，有不少來自中國(guó)的科研人員，更有一個(gè)團(tuán)隊(duì)來自中國(guó)，那就是清華大學(xué)LIGO工作組。它的創(chuàng)始人是曹軍威，2004-2006年，曹軍威在美國(guó)麻省理工學(xué)院空間研究中心工作期間，便參與了引力波數(shù)據(jù)計(jì)算和分析。鑒于當(dāng)時(shí)在中國(guó)對(duì)引力波的研究還不多，回國(guó)后，曹軍威馬上組織創(chuàng)建了清華大學(xué)LIGO工作組。并于2009年申請(qǐng)并正式通過加入LIGO科學(xué)合作組織。近幾年來，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)主要與麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院和西澳大利亞大學(xué)等LSC成員合作開展工作，主要研究成果包括：GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實(shí)現(xiàn)低延遲實(shí)時(shí)致密雙星并合信號(hào)的搜尋；采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統(tǒng)誤差等。研究成果發(fā)表在物理評(píng)論D等期刊。

一些其它的引力波監(jiān)測(cè)計(jì)劃已在中國(guó)悄然啟動(dòng)：中山大學(xué)啟動(dòng)了中國(guó)本土重大的引力波探測(cè)工程“天琴計(jì)劃”;由中美合作研制的阿里望遠(yuǎn)鏡，將由中科院高能物理所計(jì)劃在全球4個(gè)最佳觀測(cè)點(diǎn)之一的中國(guó)西藏阿里設(shè)立; 在中國(guó)西南貴州，中科院國(guó)家天文臺(tái)射電部將建FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）射電望遠(yuǎn)鏡，號(hào)稱中國(guó)有史以來最大的天文項(xiàng)目;太極計(jì)劃是一個(gè)中歐合作的國(guó)際合作計(jì)劃，擬用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)……

探測(cè)引力波，是物理學(xué)家們長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)夢(mèng)想，上千位科學(xué)家數(shù)十年辛勤的付出，一個(gè)世紀(jì)的長(zhǎng)跑接力終于抵達(dá)了終點(diǎn)。同時(shí)另一個(gè)新的天文物理時(shí)代，也悄然開啟。引力波探測(cè)器能夠讓科學(xué)家們?cè)诠鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡“看到”某個(gè)現(xiàn)象的同時(shí)“聽到”它的“聲音”。也許有一天，就像《三體》描述的那樣，人類能探聽到外星人的星際通訊，聽到來自太空的聲音。

[責(zé)任編輯：楊凡、高亞南]

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