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引力波的成功探測:從複旦-中植科學獎到諾貝爾物理學獎

2017年9月21日,第二屆複旦-中植科學獎授予韋斯、索恩和巴裡什。本文作者在新聞發布會上作了科學背景介紹。12天之後,10月3日,2017年諾貝爾物理學獎一半授予韋斯,另一半授予巴裡什和索恩。

引力波的成功探測:

從複旦-中植科學獎到諾貝爾物理學獎

施鬱

美國東部時間2016年2月11日10:30,美國雷射干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)合作組宣布,他們於美國東部時間2015年9月14日5:50:45(協調世界時9:50:45),探測到了引力波。關於這個發現的研究論文同時發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

這是人類第一次直接探測到引力波,距愛因斯坦創立廣義相對論、預言引力波過去了整整一個世紀。

很多科學家對LIGO的成功作出了貢獻。特別關鍵的有:最早提出用雷射干涉儀探測引力波並作噪聲分析的雷納·韋斯(Rainer Weiss);對雷射干涉儀的穩定性和敏感性作出重要貢獻的羅納德·德雷弗(Ronald Drever);對引力波及其探測以及LIGO作了很多理論工作的基普·索恩(Kip S. Thorne),以及建立LIGO國際合作並將其轉化為大科學的巴裡•巴裡什(Barry C. Barish)。前三位是堅持了幾十年的先驅,巴裡什則對LIGO的最後的成功至關重要。德雷弗生於1931年,幾年前得了一種老年癡呆症,不幸於2017年3月7日去世,而錯過諾貝爾獎。韋斯、巴裡什和索恩分別出生於1932、1936和1940年,他們的年齡從側面反映了引力波探測工作的時間跨度和艱難。

韋斯 德雷弗

索恩 巴裡什

2017年9月21日,複旦大學宣布,複旦-中植科學獎理事會決議,將第二屆複旦-中植科學獎授予麻省理工學院教授韋斯、加州理工學院教授索恩和加州理工學院教授巴裡什。本文作者在新聞發布會上作了科學背景介紹。

揚子晚報羅曉娜 攝

複旦-中植科學獎由複旦大學和中植企業集團合作設立,表彰在數學、物理學和生物醫學三個學科領域作出原創性傑出貢獻的全球科學家,在這三個學科領域輪流評獎。複旦-中植科學獎理事會決議詳細介紹了三位獲獎人的獲獎理由:

韋斯發明的雷射干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要噪聲來源,並領導了LIGO儀器科學的研究,最終使LIGO達到了足夠的靈敏度,在人類歷史上第一次探測到了引力波

索恩奠定了引力波探測的理論基礎,他開創了引力波波形計算以及數據分析的研究方向,並對LIGO儀器科學做出了重要貢獻,特別是提出了量子計量學理論的一系列基本概念。

巴裡什領導了LIGO建設及初期運行,建立了LIGO國際科學合作,他把LIGO從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學,最終使引力波探測成為可能。

12天之後,正是這三位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。10月3日,瑞典皇家科學院宣布,2017年的諾貝爾物理學獎的一半授予韋斯,另外一半授予巴裡什和索恩,以表彰他們“對LIGO探測器和引力波觀測所作的決定性貢獻”,指出:“先驅韋斯和索恩,與完成這一計劃的科學家與領袖巴裡什共同保證了四十多年的努力終於帶來引力波的成功觀測”。

首次觀測到引力波之後不久——

2015.12.26 /2017.1.4 /2017.6.8

LIGO又先後三次探測到黑洞並合產生的引力波

2015.10.12

LIGO還探測到一次疑似黑洞並合產生的引力波信號。

2017.9.27 (諾貝爾獎宣布6天前)

LIGO和靠近意大利比薩的引力波天文台VIRGO宣布, 2017年8月14日,LIGO和VIRGO共同探測到另一次黑洞並合產生的引力波

2017.10.16 (諾貝爾獎宣布13天后)

LIGO和VIRGO又宣布,他們於2017年8月17日第一次觀測到兩個中子星並合產生的引力波。這個事件還產生了短γ射線爆。全球70多個各個電磁波波段的望遠鏡對這個γ射線爆的余輝進行了觀測。

在獲得複旦-中植科學獎和諾貝爾獎之前,德雷弗、索恩和韋斯獲得2016年卡弗裡天體物理獎(Kavli Prize in Astrophysics)、格魯伯宇宙學獎(Gruber Prize in Cosmology)和邵逸夫獎(Shaw Prize),並與LIGO團隊共同獲得2016年基礎物理特別突破獎(Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics),以及以色列的哈維獎(Harvey Prize)。索恩、韋斯、巴裡什和德雷弗獲得《史密森雜誌》的2016年美國天才獎(Smithso年n American Ingenuity Awards)。

引力波的成功探測立即獲得包括諾貝爾獎在內的眾多獎項,是因為它的重大意義。現代物理學的兩大支柱是相對論和量子力學。相對論包括狹義相對論和廣義相對論,廣義相對論是我們理解宇宙的基石,而引力波是100年前愛因斯坦本人根據廣義相對論所作的一個預言。宇宙中有4種基本力,其中弱相互作用和強相互作用存在於微觀世界,宏觀和宇觀尺度上的基本力只有電磁力和引力,而且在宇觀層次上,宇宙由引力主導。電磁力和引力這兩種基本力所對應的電磁波和引力波都是以光速傳播的長程波。電磁波的重要性及其廣泛應用早已眾所周知,引力波同樣激發著物理學家的好奇心,值得不斷探索。

引用本文的方式:施鬱,引力波的世紀追尋(一):LIGO 的成功與人類時空觀的演變,科學,2018,70(3):14-17.

排版丨刀刀

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