三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

10月3日 ,瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予三位引力波探测计划的重要科学家,三人均来自LIGO/VIRGO合作组,以奖励他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献”。奖金的一半授予莱纳·魏斯,另外一半由巴里·巴里什和基普·索恩两人分享。

三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

诺贝尔物理学奖获得者莱纳·魏斯

2015年9月14日,宇宙中的引力波首次被人类探测到。引力波由爱因斯坦在百年之前首次预言,而人类首次检测到引力波信号来自两个遥远黑洞之间的碰撞。这一信号在宇宙中运行13亿年之后才最终抵达地球,并被美国的LIGO探测器检测到。

三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩

当这一信号抵达地球时,其强度极其微弱,但它的发现已经掀起了一场物理学界的全新变革。引力波使我们观察宇宙事件并检测我们知识极限的全新手段。

三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

诺贝尔物理学奖获得者巴里·巴里什

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。2017年度诺贝尔奖的获奖人,以他们的热情和决心,每一个都成为了实现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。

三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

图丨黑洞融合

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。

LIGO 的观测能力较好,迄今为止已经完成了 3 次观测。而 Virgo 的敏感度则略低于 LIGO。他们于今年 8 月 1 日开始进行观察,并在 8 月 14 日观测到黑洞融合事件。此次融合中,一个黑洞质量约为太阳的 31 倍,另一个则是 25 倍,在距离 18 亿光年的地方彼此环绕旋转。

研究表示,这两个黑洞最终融合成了一个约为太阳质量 53 倍的黑洞。

的确,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,并进入了全新阶段。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。

三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

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。 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。

三位科学家因引力波获诺贝尔物理学奖

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。

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。 LIGO 的观测能力较好,迄今为止已经完成了 3 次观测。而 Virgo 的敏感度则略低于 LIGO。他们于今年 8 月 1 日开始进行观察,并在 8 月 14 日观测到黑洞融合事件。此次融合中,一个黑洞质量约为太阳的 31 倍,另一个则是 25 倍,在距离 18 亿光年的地方彼此环绕旋转。研究表示,这两个黑洞最终融合成了一个约为太阳质量 53 倍的黑洞。

截至目前,所有电磁辐射和粒子,如宇宙射线和中微子等,都已经被用来探索宇宙。然而,引力波是时空本身存在扰动的直接证据。这是一种全新的、不同的东西,为人类开启了完全陌生的世界。对于能成功捕捉引力波并翻译其中信息的研究者来说,这意味着无数新颖的发现等待着他们。


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