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解读2017年诺贝尔物理学奖:人类多了一种看待宇宙的新方式

来源:科技日报 作者:刘霞 2017年10月03日 20:05
[导读] 

科技日报记者  刘霞

众望所归。三位来自美国的引力波研究专家雷纳•韦斯、基普•索恩以及巴里•巴里什荣膺2017年诺贝尔物理学奖的殊荣,比表彰 “他们对激光干涉引力波天文台(LIGO)和观测引力波所做出的决定性贡献”。

中山大学天文与空间科学研究院院长李淼教授在接受科技日报记者采访时说:“这三位科学家获奖几乎没有悬念。其实,去年他们获奖的可能性就很大,而且,今年,LIGO又多了一位神助攻——欧洲处女座‘(Virgo)’引力波探测器也首次观测到了引力波,所以,他们获奖可谓实至名归。”

中国科学院国家天文台研究员陈学雷对科技日报记者说:“引力波的探测,是人类科学研究历史上的一个奇迹。我看到这三位科学家获奖,就像几千年前的埃及人看到壮观的金字塔落成一样,深为惊叹。这种对科学的纯粹追求,坚持不懈的努力,也很值得我们中国学者的学习。”

四次捕获到引力波的“芳踪” 

100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,并将其称为“时空的涟漪”,但直到2015年才首次获得证实。

2016年2月12日,当很多中国民众还沉浸在节日的欢愉中时,大洋彼岸传来振奋人心的消息:激光干涉引力波天文台(LIGO)合作组宣布,他们于2015年9月14日探测到了引力波,它来自一个36倍太阳质量的黑洞与一个29倍太阳质量的黑洞的碰撞。这两个黑洞碰撞后并合为一个62倍太阳质量的黑洞,失去的3倍太阳质量以引力波的形式释放出来,被LIGO捕捉到。

随后,2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日,LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波,其中最后一次是位于美国华盛顿和路易斯安娜的LIGO引力波天文台,以及位于意大利的处女座引力波天文台,首次共同探测到引力波。处女座天文台位于意大利比萨,项目组由20个欧洲研究团队的280多名物理学家和工程师组成。

9月28日,美国引力波项目资助方、美国国家科学基金会主席弗朗斯•科尔多瓦在一份声明中说,相隔万里的探测器首次共同探测到引力波,这对旨在破解宇宙奥秘的国际科学探索是一个“令人激动的里程碑”。

筚路蓝缕 以启山林

引力波以光速传播,充满整个宇宙,就像爱因斯坦在其广义相对论中所描述的那样。1916年,爱因斯坦提出了广义相对论,他认为质量所引发的时空扭曲是引力出现的原因,而且,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生作用,这个作用就是以引力波的形式发生的。

之后的100年间,作为相对论中最核心的预言,引力波的探测被认为一项意义重大的物理学研究。但要探测到引力波谈何容易,它虽然在宇宙中无处不在,却非常微弱,信号强烈的引力波只发生于超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞等极端暴烈的事件中。直到2015年9月14日,LIGO才第一次探测到引力波。

LIGO是一个联合项目,来自20多个国家的1000多名科学家参与其中,这一项目团队的发起人正是韦斯和索恩。尽管这一项目现在光鲜亮丽,名震天下,但在实施过程中可谓波折重重。

20世纪60年代,马里兰大学的约瑟夫•韦伯宣布探测到引力波,引起了全球极大的兴趣,激光专家韦斯受此启发,开始寻找通过激光干涉的方法探测引力波的方法,并与索恩一起最终提出了LIGO项目。

在上世纪70年代中叶,雷恩•韦斯已经分析了可能会干扰引力波测量结果的背景噪音的来源,并为此设计出了一款探测器——一台激光干涉仪,其可以克服这些噪音带来的影响。

1984年,美国国家科学基金会成立由韦斯、索恩和罗纳德•德雷弗三位科学家组成的指导小组,开展LIGO的可行性研究。据韦斯后来的回忆,当时不少天文学家非常反对这个项目,因为他们觉得这是有史以来最大的金钱浪费。1994年,LIGO好不容易收到美国国家科学基金的3.95亿美元的长期资助,开始LIGO台站的建设。到2002年,LIGO才正式开始进行引力波的搜索。

尽管爱因斯坦认为,我们不可能测量它们。但索恩和韦斯十分确信,引力波一定能被探测到,而且,它会彻底革新我们对宇宙的理解。LIGO项目的伟大成就在于,他们使用了一对庞大的激光干涉仪,来测量当引力波通过地球时,比原子核还要小数千倍的变化。

“若非一番寒彻骨,哪得梅花扑鼻香”,正是韦斯等人对科学以及引力波的热情和殚精竭虑的努力,才让这一项目顺利进行,并最终探测到了引力波。

正如陈学雷教授所说:“索恩和韦斯教授在近半个世纪前,就构想了探测的方案,而巴里什教授等许多后来的研究者经过很多努力终于将其实现,这是人类智力的伟大成就”。

看待宇宙的全新视角

到目前为止,所有的电磁辐射和粒子,例如宇宙射线或者中微子,都已经被科学家们用来探索宇宙。然而,引力波是是一种对时空直接的“破坏”,是一种全新的方式,为我们打开了看待宇宙的新视角。

引力波信号到达地面时非常微弱,但对于天体物理学家们来说,发现其“芳踪”是革命性的。引力波是“时空中的涟漪”,是宇宙中某些最激烈的事件产生的——例如恒星爆炸和黑洞碰撞等,因此,引力波可以成为一种全新的观测手段,让我们得以对太空中的这些激烈事件进行深入研究。

此外,中国科学院大学副校长吴岳良曾在接受媒体采访时指出,引力波也为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段,为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础。

LIGO即将进行技术升级,该项目发言人、美国麻省理工学院的戴维•休梅克介绍说,技术升级将使它更灵敏,在定于2018年秋季开展的下一次观测中,“我们预计每周甚至能更频繁地获得这样的探测结果”,捕捉更多引力波并对其信息进行解释,将有望给我们带来更多惊喜。

  

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[责任编辑:chenjie]
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