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因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记

发布时间:2017-10-03 18:40:01 来源:DeepTech深科技 责任编辑:笙火
(原标题:引力波LIGO团队终于斩获诺奖!获奖的物理学家有3位,但有一个人同样值得铭记)

北京时间10月3日下午5点45分,诺贝尔奖委员会宣布,将 2017 年诺贝尔物理学奖授予雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C. Barish)和基普·S·索恩(Kip S. Thorne),表彰他们发起和领导了“激光干涉引力波天文台”(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,?LIGO)项目,并在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出了重大贡献。

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但除了这三位获奖者,有一位先驱的名字同样值得我们铭记,那就是罗纳德·W.P·德雷福(Ronald W.P. Drever)。德雷弗是引力波探测领域的先驱,也是激光干涉引力波天文台(LIGO)创始人之一,他对 LIGO 的实验设计做出了重要贡献。今年 3 月,德雷福在爱丁堡辞世,享年 85 岁。

以下是本次诺贝尔物理学奖三位获奖者以及先驱罗纳德·W.P·德雷福的简介:

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记

基普·S·索恩(Kip S. Thorne)1940 年生于犹他州洛根市(Logan Utah),1962 年在加州理工学院(Caltech)获得学士学位,1965 年在普林斯顿大学(Princeton University)获得博士学位。两年博士后研究之后,于1967 年回到加州理工学院任职助理教授,1970 年升职为理论物理学教授,1991 年成为费曼理论物理学教授。

2009 年 6 月,索恩从费曼教授职位退休,成为费曼理论物理学荣休教授,转而开始从事写作、电影以及继续科学研究。目前,索恩的写作主要是与罗杰·布兰德福德(Roger Blandford)合著的《现代经典物理学》教科书(于 2016 年年底发表)。他的首部好莱坞电影是由克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)执导的 2014 年 11 月 7 日上映的《星际穿越》(Interstellar),索恩是这部电影的科学顾问和执行制片人。索恩目前的主要研究是利用计算机模拟和分析探索弯曲时空的非线性动力学行为。

索恩的研究重点是引力物理和天体物理学,并且侧重于相对论恒星、黑洞和引力波。20 世纪 60 年代末和 70 年代初,索恩的研究为相对论恒星脉动理论及其发出的引力波奠定了基础。随后到 80 年代,索恩提出了一种数学形式体系,使得天体物理学家能够分析引力波的产生。索恩与乌拉迪米尔·布拉金斯基(Vladimir Braginsky)、罗纳德·德雷福(Ronald Drever)和雷纳·韦斯(Rainer Weiss)(Rainer Weiss)密切合作,为探测引力波提出新的技术思路和计划。

索恩与韦斯、德雷福是激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory ,LIGO)项目的共同创始人,并且在早期 1984-1987 年作为该项目的指导委员会会长。在 20 世纪 80 年代、90 年代和21 世纪初,索恩及其研究团队为 LIGO 项目提供众多理论支持,包括识别 LIGO 靶向引力波源,为探索引力波的数据分析技术奠定了基础,设计引力波束管中控制散射光的挡板,噪声声源分析及控制方法,并且与乌拉迪米尔·布拉金斯基团队为高级引力波探测器发明了量子非破坏性测量(quantum-nondemolition)。

2015 年 9 月 14 日,LIGO 项目取得了重大突破,首次探测到遥远宇宙中发出并抵达地球的引力波。引力波是由两个自旋黑洞相互碰撞和融合所产生的,数据分析显示该引力波源的性质和细节关键依赖于模拟极端时空(Simulate eXtreme Spacetimes,SXS)项目的数值相对论模拟,该项目是由索恩和康奈尔大学(Cornell University)的索尔·图科斯基(Saul Teukolsky)于 2004 年共同创立的。

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罗纳德·W.P·德雷福(Ronald W.P. Drever)生于 1931 年,于 2017 年 3 月 7 日逝世。他是一位实验物理学家、加州理工学院荣休教授,激光干涉引力波天文台(LIGO)项目共同创始人,激光稳定 Pound–Drever–Hall 技术的共同发明人。

德雷福的事业起步于格拉斯哥大学(Glasgow University),后被招募到加州理工学院(Caltech)参与引力波研究项目。

德雷福设计和实现的 LIGO 干涉仪对于探测引力波所需的极度灵敏条件至关重要。德雷福近期的研究领域涉及到实验仪器隔振系统的磁悬浮光学平台开发。

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巴里·巴里什(Barry C. Barish)是一位已退休的著名物理学教授,在1994年~1997年之间曾经担任LIGO项目的首席科学家,并在1997年~2006年间担任LIGO项目主管一职。1936年出生在美国的奥马哈。1962年在美国加州大学伯克利分校获得博士学位。

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雷纳·韦斯(Rainer Weiss)在麻省理工学院(MIT)获得物理学学士学位和博士学位,是MIT 荣休教授。先前,韦斯博士曾在美国塔夫斯大学(Tufts University)任职助理物理学教授,自 2001 年起在路易斯安那州立大学(Louisiana State University)任职副教授。韦斯博士最著名的贡献是其对宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background radiation)光谱的开拓性测量,发明了单芯片辅热测量计和激光干涉引力波探测器,以及作为宇宙背景探测器项目和激光干涉引力波天文台(LIGO)项目的联合创始人和领导人。

韦斯获得了数不清的 NASA 科学小组成就奖、MIT 杰出教学奖、约翰·西蒙·古根海姆基金会奖学金(John Simon Guggenheim Memorial Foundation Fellowship)、国家航天俱乐部科学奖(National Space Club Science Award)、格鲁伯宇宙学奖(Gruber Cosmology Prize)以及美国物理学会爱因斯坦奖(Einstein Prize of the American Physical Society)。同时,韦斯博士是美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science)、美国物理协会(American Physical Society)、美国人文和科学协会(The American Academy of Arts and Sciences)的会员。并且,韦斯博士还是美国天文协会(American Astronomical Society)、纽约科学院(New York Academy of Sciences)、美国科学研究会(Sigma Xi)等的会员。

韦斯博士曾于 1986 年至 2007 年间九次担任美国国家研究委员会(NRC)委员,包括 NASA 天体物理学绩效考核委员会,粒子物理学、核物理学及引力波天体物理学专家组委员,以及空间天文学与天体物理学任务组委员。

截至目前,LIGO 已经分别在 2015 年 9 月 14 日、2015 年 12 月 26 日、2017 年 1 月 4 日单独发现了三次引力波事件。2017 年 8 月 14 日,LIGO 与位于意大利的 Virgo 天文台共同发现并确认了第四次引力波事件,四次引力波事件均为双黑洞融合。

在这四起代号分别为 GW150914,、GW151226、 GW170104、GW170814 的引力波事件中,科学家们发现,恒星质量级双黑洞系统一旦融合,其质量将至少会是太阳的 20 倍。这比以前通过传统的X射线所探测到的黑洞质量要大得多。观测结果也确实验证了科学家们的预测:四次黑洞融合后形成的新黑洞质量分别为太阳的 62 倍、21 倍、49 倍、53 倍。

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨LIGO 所发现的黑洞质量(蓝色)远远比以前仅凭X射线(紫色)所探测到的黑洞质量大得多

时间退回到 2015 年 9 月 14 日,麻省理工学院、加州理工学院,与来自全球各地的科学家们一道,通过 LIGO 首次直接探测到了抵达地球的引力波。

随后,麻省理工学院校长拉斐尔·赖夫(Rafael Reif)致信全校师生,第一时间通报了这一消息。通常而言,不管多么令人印象深刻,MIT 校长都不会给全校致信祝贺某个人的研究成果。但鉴于 LIGO 团队发现引力波意味着爱因斯坦百年前提出的广义相对论终于得到了验证,并将宇宙学相关研究带入了全新时代,赖夫校长从人类的角度出发,高度赞扬了这一历史性的科学发现。

赖夫校长表示:“即使是最先进的望远镜也依赖于光,所以我们无法看到黑洞融合的壮观碰撞,因为我们一直认为,黑洞不会发出任何光。然而,凭借 LIGO 的仪器,我们现在有了‘耳朵’可以听到碰撞发出的‘声音’。有了这种全新的‘感官’,LIGO 的团队发现和记录了一个关于大自然的、迄今未被发现的基本事实。但他们利用这个新工具的探索才刚刚开始,这就是为什么人类要从事科学研究!”

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨美国国家科学基金会新闻发布会上,科学家们为首次探测到引力波而欢呼。从左到右分别为:加布里娜·冈萨雷斯(Gabriela González)、雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)

那么,LIGO 到底是一套怎样的系统?它是如何充当人类探索宇宙的“耳目”?简单来说,LIGO 系统由两个相距 3000 公里(分别位于美国南海岸的 Livingston 和美国西北海岸的 Hanford),且完全相同的探测器组成。每个探测器包含两个长度为 4 公里、布置成 L 形的真空管。科学家们通过真空管来发射激光束。每束激光到达真空管末端后,会被镜面反射,并沿相反路线返回。

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨LIGO 激光器工作原理,右下角方块为光电探测器

在同等的条件下,两束激光应该在完全相同的时间抵达源头,由于干涉效应,光线不会抵达光电探测器。然而,如果有引力波穿过探测器,根据爱因斯坦 100 年前的预测,会使两个真空管中的空间出现及其微小的拉伸与压缩,从而破坏了原有的完美平衡,使光线外泄到光电探测器上。这种“失衡”虽然十分短暂,但已足够让科学家们从中发现引力波的踪迹。

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨LIGO 系统实拍图

的确,自从人类首次探测到引力波后,该领域相关研究已经往前迈进了一大步,尤其是最近这次引力波事件是由 LIGO 的两个观测站与 Virgo 的一个观测站同时发现,通过三角定位原理,更是将探测精度提高了 10 倍之多!从此将相关领域研究带入所谓的“多信使天文学”(multi-messenger astronomy)时代。

“多信使天文学”其实比较容易理解,即借助多种观测手段对某种天文现象进行研究。因为传统的光学及无线电天文望远镜经常会随机对着茫茫苍穹发射信号,但如果观测方位相对明确,这类望远镜可在发现引力波后的第一时间对准信号来源的方向进行观测。

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨结合多种观测手段的“多信使天文学”

当然,由于引力波是由黑洞融合所产生的宇宙涟漪,并不会产生任何形态的光,所以对于引力波观测来说,传统天文望远镜可能并没有太大作用。但如果将来的某一天,LIGO 和 Virgo 的三座天文台同时观测到了双星融合,而非黑洞融合现象,那么传统天文台就可以根据大致定位方向进行进一步观测了。

众所周知,引力波是爱因斯坦广义相对论最后一块未解之谜。二十世纪初爱因斯坦提出广义相对论后,时空的概念也颠覆了大多数人的物理常识。

广义相对论认为,大到天体,小到人类本身,在它们运动时,都会使周围的时空产生涟漪。这是很容易理解的一个概念,就像船在水中移动时会产生水波。只是在发现引力波之前,这一理论还从未被验证过。

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然而,要观测到引力波——这种在宇宙中扩散的涟漪——是一项异常艰难的任务。打个比方,如果要在地球上探测某人运动时周围产生的时空扭曲,基本上是不可能的,因为这种时空扰动太小太小了。

这就是为什么科学家们创造了 LIGO 和 Virgo 这类引力波观测天文台,并通过其观察百万、甚至数亿光年外巨大天体快速运动时所产生的强力扰动,比如黑洞或中子星融合。这类天体在融合时,每秒会进行相互环绕的多次旋转,并最终融合为一个质量极大的全新天体。与此同时,天体运动和碰撞时所产生的时空扭曲,会表现为引力波形式,并以光速向宇宙的四面八方传播开去。

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在抵达地球的过程中,这些波会显著衰减,不过,通过使用类似 LIGO 和 Virgo 这样最敏感的仪器,我们仍然有希望检测到它们。LIGO 装置的大致原理是两条长度相同的探测臂呈 L 型放置,而在两臂的末端放置一面镜子来反射激光。将激光发射到每个镜子上的分裂激光器则位于两个隧道相交处。

在正常情况下,两条长臂应该是完全等长的,因此激光束在两条长臂中传播所花费的时间是一样的。然而一旦有引力波穿过探测器,时空的扭曲会导致一个方向上的长臂长度就会被压缩,而在另一个方向上的长臂则会被拉伸,从而导致两束激光束传播的时间长度出现差异,当它们反射回来并汇合时,就会出现干涉条纹。

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图丨Virgo 观测台工作原理

科学家们通过这种干涉效应来测量长臂所出现的任何极其细微的空间变化。当然,这样的长度变化将是极其细微的——LIGO 装置必须能够测出相当于一个质子直径万分之一不到的长度变化,才可能检测到引力波信号。

与此同时,成功完成任务的三个观测台正在从“扫描宇宙”的重任中抽身“休息”。在停机期间,LIGO 和 Virgo 的科学家们将努力提高观测站的灵敏度。LIGO 和 Virgo 也将在 2018 年秋天开始新的观测,一旦这些观测活动开始进行,天文学家们将有望观测到更多的引力波现象。

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图丨位于美国 Hanford 和 Livinsgton 的 LIGO,以及位于意大利的 Virgo 天文台

看到这里,相信大家已经对“激光干涉引力波天文台”相关技术,及其对天文学、物理学研究的重大意义有所了解了,但你很难想象,在四十年前,LIGO 其实仅仅只是 MIT 物理学教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)设计的一项课堂练习。但发展到现在,LIGO 已涉及来自美国本土的大学,如麻省理工学院、加州理工学院,以及来自全球 15 个国家、超过 950 位科学家。

雷纳·韦斯,1932 年 9 月 29 日出生于德国柏林。麻省理工学院物理学教授,于 1964 年加入麻省理工学院。韦斯教授发明了干涉引力波探测器,并联合创立了美国国家科学基金会 LIGO 项目。他在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出了重大贡献。

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图丨麻省理工学院物理学教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)

故事从 1967 年始于麻省理工学院,当时的物理学教务主任要求韦斯教授设计一门广义相对论课程。那时,广义相对论已被纳入数学系的研究领域。虽然是引力理论,但绝大多数人认为它与物理学没什么关系。这主要是因为爱因斯坦理论预测的可观测效应本来就是无限小的,这很难用实验物理学去验证。

爱因斯坦曾看着他的引力公式说道:“所要研究的数字和维度都太小了,小到不会对任何事物造成影响,也没有人能够测量。”当你回想 1916 年的技术条件时,他可能是正确的。

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨爱因斯坦于 1916 年提出广义相对论

过去 100 年发生了一些大事,天文学的发现表明,人们在 1916 年所掌握的有关紧密压缩源、无限密度方面知识是非常有限的。比如中子星和黑洞。但现在,我们已拥有各种技术去做精确测量。从激光、微波激射器、精密电子仪器、计算机,到大批的科研人员,这些都是那个年代所不敢想象的。

所以,当韦斯教授和他的团队准备开始寻找引力波时,人类已经在技术和知识方面做好了准备。

因引力波获奖的3位物理学家身后 还有一人值得铭记图丨雷纳·韦斯教授及其?LIGO 团队

1975 年对于 LIGO 来说是非常关键的一年:因为当时韦斯教授正在从事 NASA 资助的宇宙背景辐射研究。NASA 要求组织一个宇宙学和相对论领域空间研究应用方面的委员会。正是在这个委员会中,韦斯教授结识了来自加州理工学院的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)。

当时,基普·索恩教授已经在加州理工学院建立了一个顶尖的引力理论研究团队,并已开始着手建立引力实验研究组。于是两人摊开一大张纸,在上面写下了新的引力研究组能做的一切实验,并相互介绍了两所学校的最新研究进展。韦斯教授和索恩教授当即表示很有兴趣合作。这次谈话后,麻省理工学院和加州理工学院正式联手,这就是后来的 LIGO。

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图丨雷纳·韦斯教授和基普·索恩教授共同出席首次发现引力波的新闻发布会

其实从第一次发现引力波事件开始,LIGO 就被看作是争夺诺贝尔物理学奖的夺标大热门,但最终与去年的诺贝尔物理学奖失之交臂。2017 年 3 月 7 日,作为 LIGO 三位创始人之一的罗纳德·德雷福教授(Ronald W.P. Drever)与世长辞,没能看到自己的研究成果拿下科学界的最高奖项。


今年,当?LIGO 年事已高的两位创始人终于拿下诺贝尔物理学奖时,雷纳·韦斯教授的一句话可能最能代表 LIGO 研究团队的心声:“我感到一种巨大的解脱和喜悦,但其实更多是解脱。一直以来,有一只猴子坐在我的肩上长达 40 年,它一直在我耳边唠叨,说:‘嗯,这真的能够成功吗?你已经把一大堆人拉了进来,但如果它是错误的呢?’ 突然,这只猴子跳开了,这实在是巨大的解脱。”

侯维铖 本文来源:DeepTech深科技 责任编辑:侯维铖_NT4124

责任编辑: 笙火

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