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引力波获诺贝尔奖 开启人类观察宇宙新时代

2017-10-4 15:42| 发布者: admin| 查看: 51| 评论: 0

摘要: 瑞典当地时间10月3日上午11时50分,诺瑞典皇家科学院宣布宣布,将2017年诺贝尔物理学奖授予3位美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss) 、巴里·巴里什 (Barry Barish )、基普·索恩(Kip Stephen Thorne),以表 ...


   瑞典当地时间10月3日上午11时50分,诺瑞典皇家科学院宣布宣布,将2017年诺贝尔物理学奖授予3位美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss) 、巴里·巴里什 (Barry Barish )、基普·索恩(Kip Stephen Thorne),以表彰他们对引力波探测器LIGO的决定性贡献及其对引力波的观察。900万瑞典克朗(约合110.88万美元)的奖金一半将授予麻省理工的雷纳·韦斯教授,另一半则由来自加州理工学院的巴里·巴里什和基普·索恩分享。 3位美国科学家因引力波研究获得2017年诺贝尔物理学奖(图源:VCG) 综合媒体10月4日介绍,在评委会发布的新闻公告上如此评价:对引力波的成功探测使我们了解宇宙开端的真相成为可能。LIGO通过直接探测到引力波,证明了黑洞的存在及其性质。引力波也给我们提供了了解宇宙的另外一个全新维度。可以说之前仅仅是看到的宇宙的图景,却没有声音。引力波使我们对宇宙的了解上升到。在此之前我们对宇宙的了解仅限于画面,而引力波的探测使我们可以通过声音去探索宇宙,改变了之前对宇宙单一的认知方法,发起了人类对宇宙的认知革命。 引力波:探索宇宙新方式 400多年前,当伽利略第一次将望远镜指向星空,让人类看见清晰的太空时,就再没停止对这个神秘的空间进行探寻。100年前爱因斯坦广义相对论的提出,预言了时空的“涟漪”——引力波的存在。做加速运动的大质量天体可以剧烈地撼动时空,并且空间扭曲的波动将从波源辐射出去,就是引力波。这些以光速传播的“涟漪”携带了天体源激烈动荡的信息以及关于引力本质的线索。捕捉到引力波,人们就可以用一种前所未有的方式探索宇宙。 但是引力波的测量困难得异乎寻常,虽然天体通过引力波释放的能量是惊人的,但因为它几乎不和物质相互作用,所以引力波总是“率性”而至,似乎什么都阻挡不住它的步伐,因此它包含着源的中心区域最核心的信息。可是,引力波的“率性”在带来核心信息的同时,也让探测极为困难。直到1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了处于双星系统中的脉冲星,该双星系统会以引力波的形式损失能量,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作荣获1993年诺贝尔物理学奖。 确定引力波是真实存在的物理现象后,如何探测引力波成为很多天文物理学家的研究方向。 LIGO:倾听宇宙的招风巨耳 用激光干涉的方法测量引力波是由雷纳·韦斯提出的,作为电影《星际穿越》的科学顾问兼制片人,基普·索恩关注并合理地改进了这一方法。于是,在上世纪 90 年代,由加州理工和麻省理工合作主导的两个激光干涉引力波观测台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,缩写为LIGO)正式开工建设。 LIGO的全称是“激光干涉引力波天文台”,这是一个由来自20多个国家的上千名科学家们共同参与的大型合作项目。这些科学家们通力合作,实现了一项延续超过半个世纪的梦想——引力波的直接探测。2017年度诺贝尔物理学奖的获奖人们以他们的热情和决心,成为了实现LIGO的成功背后不可或缺的关键人物。莱纳·魏斯,巴里·巴里什和基普·索恩领导了整个项目的推进,直到最终完成,确保了40多年的努力最终结出硕果,获得了首次引力波探测的成功。 有趣的是,当LIGO项目早期寻求美国政府的资金支持时,它在国会面对的最大反对者竟然是天文学家们。反对的声音并不能阻止科学家们探究的兴趣和脚步。与美国的LIGO同期建立的激光干涉引力波探测仪,还包括日本的TAMA300,德国的GEO600,意大利的Virgo等,数台第一代激光干涉引力波探测仪在全球开花。 美国LIGO的两台孪生引力波探测仪分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3,000千米,就像是一对“倾听宇宙的招风巨耳”。只有当两个探测仪同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年开始运行。 但在2002年至2011年期间,虽然全球各地的探测仪都在监测,并未探测到引力波。直到2015年,两个升级版的高新激光干涉引力波天文台(ALIGO)正式投入运行。9月14日,刚刚开机3天的ALIGO便探测到了距离地球13亿光年之外的两个黑洞在合并过程中放射出的引力波。这是在爱因斯坦发表了广义相对论一百年之后,人类第一次发现引力波存在的直接证据,这意味着人类真实地探测到了很久很久以前,一个很远很远的星系发生的一件惊天动地的大事!这个发现以系列论文的形式发表在《物理评论快报》(PRL)杂志和《天文期刊》(The Astrophysical Journal)杂志上。基普·索恩称之为“是人类观测到的除了宇宙大爆炸之外最为剧烈的爆炸。” 12月26日,在首次探测到引力波信号仅3个月之后,ALIGO的两个探测器就再次记录到了新的引力波信号。跟上次一样,这一引力波信号也源自于两个黑洞即将合二为一之时最后的相互绕转。 作为一个拥有近千名科学家的大型合作组织,LIGO科学合作组织对待自己的数据非常谨慎,直到2016年2月11日, 才对外宣布,ALIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合。发布会上,LIGO科学合作组织表示“ALIGO是世界上最精密的测量仪器”。那时的天文物理学界就开始纷纷猜测,诺贝尔物理学奖对LIGO的召唤不远了。

探寻引力波 中国也有大动作 在LIGO科学合作组织近千名科学家中,有不少来自中国的科研人员,更有一个团队来自中国,那就是清华大学LIGO工作组。它的创始人是曹军威,2004-2006年,曹军威在美国麻省理工学院空间研究中心工作期间,便参与了引力波数据计算和分析。鉴于当时在中国对引力波的研究还不多,回国后,曹军威马上组织创建了清华大学LIGO工作组。并于2009年申请并正式通过加入LIGO科学合作组织。 近几年来,清华大学研究团队主要与麻省理工学院、加州理工学院和西澳大利亚大学等LSC成员合作开展工作,主要研究成果包括:GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻;采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析;分析引力波事件显著性的系统误差等。研究成果发表在物理评论D等期刊。 一些其它的引力波监测计划已在中国悄然启动:中山大学启动了中国本土重大的引力波探测工程“天琴计划”;由中美合作研制的阿里望远镜,将由中科院高能物理所计划在全球4个最佳观测点之一的中国西藏阿里设立; 在中国西南贵州,中科院国家天文台射电部将建FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)射电望远镜,号称中国有史以来最大的天文项目;太极计划是一个中欧合作的国际合作计划,拟用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测…… 数十年来,物理学家们一直在尝试探测爱因斯坦在百年之前预言的引力波。爱因斯坦指出,时空具有“弹性”,当有质量的物体加速时产生的引力波将会造成四维时空的波动,比如遥远星系内恒星的爆炸,或者两个黑洞在合并之前的高速旋转等等。和引力波一样,黑洞本身也是由爱因斯坦在1915年提出的广义相对论所描述的。在后来超过50年的时间里,大部分主流科学家一直认为黑洞只是爱因斯坦方程组的一个解,而非实际存在于宇宙中的真实天体。 相对论将引力视作是时空的扭曲。当引力极端强大时,时空的扭曲可以达到极限,形成一个黑洞。黑洞是时空中最为奇异的天体——没有任何东西能够逃离黑洞,光线都不行。也正因为如此,黑洞一直是物理学中的一种神秘存在。引力波带给科学家们一种希望,他们或许可以尝试去检测一种此前从未想过的全新的信号,但关于时空的谜团究竟是否能够真正被揭开仍然难以预料。在很长一段时间里,爱因斯坦本人一直确信引力波信号是不可能被检测到的,因为他自己都不能肯定这究竟是真实存在的现象还是只是一种数学计算上的假象。 探测引力波,是物理学家们长达一个世纪梦想,上千位科学家数十年辛勤的付出,一个世纪的长跑接力终于抵达了终点。同时另一个新的天文物理时代,也悄然开启。引力波探测器能够让科学家们在光学望远镜“看到”某个现象的同时“听到”它的“声音”。也许有一天,就像《三体》描述的那样,人类能探听到外星人的星际通讯,听到来自太空的声音。 

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