重磅 | 引力波探测获2017年诺贝尔物理学奖!!!

摘要: 北京时间10月4日17时45分许,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工

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北京时间10月4日17时45分许,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院教授基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish),以表彰以表彰他们在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献。


Kip Thorne (基普·索恩), 理论物理学家,1940年出生于美国犹他州,1965年于普林斯顿大学获得物理学博士学位,1966-2009年在加州理工学院工作,曾任费曼理论物理学教授。索恩也是很多毕业于加州理工学院的著名理论物理学家的导师或论文指导教授。他2009年6月退休后前往好莱坞从事电影创作,参与的第一部电影即为大家熟知的“星际穿越”。索恩的主要研究领域为相对论天体物理学和引力物理。是公认的相对论研究权威之一。他最为世人所知的研究是虫洞可用于时间旅行。除此之外他在科普方面的能力与贡献亦为人称道。

Rainer Weiss(莱纳·魏斯),实验物理学家,1932年出生于德国柏林,1962年于麻省理工学院获得博士学位。1960-1962年曾在塔夫茨大学工作,之后返回麻省理工学院并工作至今。魏斯在物理学的多个领域都有建树,包括原子物理、激光物理和天文学。特别是他对于宇宙微波背景辐射谱的测量属于开创性工作。他是引力波干涉仪探测器的发明人之一并参与共同创建LIGO。

Barry Barish, 实验物理学家,1936年生于美国奥马哈市,1962年获得加州大学伯克利分校高能实验物理博士学位,1963年加入加州理工学院。1994年担任LIGO PI,1997年成为LIGO主任,并创建LIGO科学联盟。

什么是引力波?

那么,什么是引力波?在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。

根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒

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)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。

自1974年,泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测,观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

探测引力波

  

在寻找引力波方面,英国物理学家菲利克斯?皮拉尼(Felix Pirani)于1955年获得了关键性的突破。他证明,可以通过测量至少两个测试质量(质量非常小的物体,它们自身的引力可以忽略不计)之间的距离变化来探测引力波。事实上,尽管用孤立的物体无法探测到引力波,但还是可以通过测量两个测试质量之间空间的压缩和膨胀来发现它的踪迹。美国马里兰大学的约瑟夫?韦伯(Joseph Weber)受此启发,开始进行实验直接探测引力波。虽然他用自己在20世纪60年代设计的“韦伯棒”(Weber bar)什么也没有探测到,但是他的这一发明启迪了许多物理学家。用棒状探测器来探测引力波的概念后来被广为接受并加以改良。


引力辐射原则上是可以探测到的。那么如何进行定量测量呢?想要设计探测器的话,首先得确定引力波源辐射功率的量级、引力波经过时导致的空间长度变化的量级以及信号频率的量级。根据爱因斯坦最初的研究,科学家可以估算出人体在摆手时发出的引力波功率量级是10–50 瓦特,这和大多数恒星系统发出的引力波功率差不多。这些值已得到了更精确的计算方法的证实,引力波似乎成了一种无法观测的思想玩物。


随着天文学家在1962年发现了类星体,并在1967年发现了脉冲星,探测引力波的希望被再次点燃。这些天体属于中子星(由非常致密的原子核物质构成的天体)或者黑洞(光也无法逃逸的时空陷阱)。它们非常致密(相比于它们的质量而言,它们的体积非常小),在描述其引力性质时必须考虑广义相对论。物理学家已经证明,如果一个致密天体高速(接近光速)运动,并且这种运动是连贯的且不太对称的话,这个天体就能成为良好的引力波源。

图片来源:optochina.net

  

虽然无法通过望远镜观测,但一个双星系统中的两个黑洞并合是能量最高的天体物理现象之一。两个具有太阳质量的黑洞并合发出的引力波功率量级大概是1046瓦特,这已经可以媲美太阳发光的功率(1026瓦特)。


但是,所有的大功率引力波源和我们的距离都十分遥远,在地球上进行的探测实验只能收集到非常微弱的信号。在这种信号的作用下,测试质量间距的相对变化最高也只有10–20,相当于太阳和地球之间的距离改变了一个原子的直径。


对脉冲双星PSR B1913+16的研究间接地证明了引力波的存在。美国人约瑟夫?泰勒(Joseph Hooton Taylor)和拉塞尔?赫尔斯(Russell Hulse)于1974年发现了PSR B1913+16(他们也因此于1993年获得了诺贝尔物理学奖)。这个双星系统公转周期的逐步减少与能量的消失有关,而消失的能量转化成了引力波。这个效应其实类似于拉普拉斯为了解释月球在轨道上的加速而提出的理论。法国物理学家蒂博?达穆尔(Thibault Damour)和娜塔莉?德鲁艾尔(Nathalie Deruelle)等人的计算证明,广义相对论和脉冲双星观测结果是一致的。


之后就是直接探测引力波了,这就是位于意大利比萨南部的VIRGO探测器以及分别位于美国两个地点的激光干涉引力波天文台(LIGO)承担的重任。这些仪器能够探测出相当于原子直径比上太阳系直径的距离相对变化。在21世纪初的首阶段运行中,这些探测器未能探测到引力波,但是此后研究者对它们的灵敏度进行了一次大升级。先进LIGO(Advanced LIGO)已投入运行。VIRGO探测器的高级版本也将在2016年投入使用。


这些探测器利用的是干涉测量方法。测试质量是悬挂于探测器的两个互相垂直的长臂末端的反射镜。探测器两臂内穿梭着大功率的激光束(功率可达200瓦特)。两臂长度的微弱变化会影响两束激光相遇处的光强。


两个反射镜相距越远,由引力波造成的臂长变化量就会越大,也更“容易”被观测到。法意合建的VIRGO探测器的臂长达3千米。红外激光器发出的激光束被半透明反光镜(分光镜)一分为二。每束激光会进入一个长达3千米的光腔,然后照射到反射镜上(即测试质量),接着反射镜会把激光反射回分光镜那里。在返回分光镜前,激光在光腔中已被来回反射了许多次。这多次来回会显著增加探测器的等效臂长。由于光的波动性,分光镜上两束激光互相叠加发生干涉。实验开始前,科学家调整仪器,让两束激光发生相消干涉——一束光的波峰正对应另一束光的波谷,反之亦然。通过这种方式两个光波互相抵消,而传感器(一个光电二极管)不会记录下任何信号。


当引力波经过时,每束激光的光程会发生微小的变化。这将会改变两束激光波峰和波谷的相对位置,因此两者的叠加并不会发生相消干涉,而传感器则会记录下一个信号。研究人员可据此推导出臂长的变化并确定是否曾有引力波经过。经过升级改造的干涉仪可探测的最小臂长变化量的量级是10–20米,差不多是质子大小的十万分之一。但是,除了引力波以外有许多其他因素会影响反射镜之间的距离。物理学家正在尝试从“噪音”中分离出由引力波引发的信号。

测试质量上的反射镜在被运送到VIRGO 台址之前,首先会在测试工作台上接受分析。研究人员尤其关注镜片表面,它必须毫无瑕疵。

  

VIRGO与LIGO

  

干涉仪工作时既互相独立,又齐心协力。科学家希望综合多个干涉仪的信息,利用三角测量法来确定引力波源在天空中的具体位置。三角测量法的原理就好比用双耳来听声音。用单耳听是无法确定声源位置的。声音到达两只耳朵的时间存在先后差异,通过这个时间延迟就可以推算出声源的方位。与此类似,一台干涉仪接收到的引力波信号可以来自任何地方,在地球表面至少需要3台互相分离的引力波探测器才能确定波源的位置。


VIRGO与LIGO的两台探测器合作,组成了这种引力波探测网,并从2007年开始运行。两个团队的研究者分享这些探测器的数据,并对其进行整合分析。这种数据共享还有一种好处:如果真的出现了引力波信号,那么所有探测器都应该探测到它,所以数据分享是个确认信号的好方法。

图片来源:ligo.org

  

对引力波源进行实时定位还能让在各个电磁波段工作的天文望远镜和卫星也同时指向波源,观测与引力波相关的天文现象(如伽马射线等)。


2007年到2011年间,VIRGO和LIGO搜索了能够让臂长变化10–22米的引力波。但这还远远不够。探测器的灵敏度会对最大可探测距离造成直接影响(探测器只能探测到这个距离内的引力波源)。这个距离取决于波源的种类、特征、引力波的振幅、持续时间以及频率范围。打个比方,以VIRGO的灵敏度要探测到两个1.4倍太阳质量的中子星碰撞时发出的引力波,这两个中子星到地球的距离要在4 000万光年以内。而由脉冲星(高速自转的中子星)发出的引力波信号在几万光年外就无法被探测到了。


知道了最大的测量距离后,还要考虑到引力波源的出现频率。一些引力波源非常罕见,比如相互碰撞的中子星要比单个的中子星少得多。如果能够提高引力波探测器的灵敏度,那么探测到引力波的可能性也会上升。换句话说,环绕地球的可探测宇宙范围将被扩大。


从2011年底起,VIRGO经历了一些重大改造,变成了“先进VIRGO”(Advanced Virgo),将于2016年开始运行。“先进VIRGO”的反射镜变得更重,激光器的功率扩大了10倍,光学设置进行了调整,分析程序也得到了优化。到2020年,先进VIRGO能够探测的距离将是VIRGO的10倍,而它能探测的宇宙范围将扩大1 000倍。我们希望利用它在每年探测到更多的中子星碰撞。与此同时,LIGO也进行了升级改造,而且日本和印度也在建造新的引力波探测器,中国也在筹备引力波探测计划。

  

在遥远的未来,人类还有更加雄心勃勃的引力波探测计划,如建造在地下的臂长为30千米的爱因斯坦望远镜(Einstein Telescope),或是位于太空的,臂长为500万千米的演化空间激光干涉天线(eLISA),我们对来自宇宙的天籁将变得更加熟稔。

引力波探测的意义?

引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后,人类认识宇宙的全新窗口,必将引发一场天文学的革命。

引力波探测除了能够检验广义相对论之外,还有助于证明其它版本的引力理论正确与否,还将推动引力量子化的研究,最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。

引力波像其它的波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间,检验宇宙大爆炸理论的正确与否。

21世纪诺贝尔物理学奖得主:17年间44人获奖


2016年,英国科学家大卫?索利斯、邓肯?霍尔丹和迈克尔?科斯特利茨,因在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相而荣获该奖项。

 

2015年,日本科学家梶田隆章和加拿大科学家亚瑟?麦克唐纳共同诺贝尔物理学奖。两人因发现中微子振荡,证明中微子有质量而获得了这一奖项。

 

2014年,诺贝尔物理学奖得主是日本科学家赤崎勇、日裔美国科学家中村修二(60岁)及日本科学家天野浩。他们开发了蓝色发光二极管(LED),使节电的高亮度照明器材成为可能,极大改变了人们的生活,并因此受到高度评价。



2013年,诺贝尔物理学奖授予比利时理论物理学者弗朗索瓦?恩格勒和英国理论物理学家彼得?希格斯,两人因预测被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在而获奖。


2012年,诺贝尔物理学奖由法国科学家塞尔日?阿罗什与美国科学家大卫?维因兰德获得,两位物理学家因为在量子光学领域对光与物质间的密切关系和相互作用的研究而获得表彰。


2011年,诺贝尔物理学奖被授予美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔?波尔马特、美国/澳大利亚物理学家布莱恩?施密特及美国科学家亚当?里斯,表彰他们“通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”。


2010年,诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫,以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯是目前已知材料中最薄的一种,被普遍认为会最终替代硅,从而引发电子工业的再次革命。


2009年,诺贝尔物理学奖被授予英国华裔科学家高锟及美国科学家威拉德?博伊尔和乔治?史密斯。高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就。博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件(CCD)图像传感器。

 

2008年,诺贝尔物理学奖被授予美国科学家南部阳一郎和两位日本科学家小林诚、利川敏英。南部阳一郎因为发现次原子物理的对称性自发破缺机制而获奖,日本科学家小林诚、利川敏英因发现对称性破缺的来源而获此殊荣。


2007年,诺贝尔物理学奖由法国科学家阿尔贝?费尔和德国科学家彼得?格林贝格尔分享。这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”效应。

 

2006年,美国科学家约翰?马瑟和乔治?斯穆特因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获奖。

 

2005年,美国科学家罗伊?格劳伯、约翰?霍尔和德国科学家特奥多尔?亨施因为“对光学相干的量子理论的贡献”和对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献而获奖。

 

2004年,诺贝尔物理学奖归属美国科学家戴维?格罗斯、戴维?波利策和弗兰克?维尔切克。他们发现了粒子物理强相互作用理论中的渐近自由现象。


2003年,拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢?阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利?金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼?莱格特因在超导体和超流体理论上作出了开创性贡献而获奖。

 

2002年,美国科学家雷蒙德?戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多?贾科尼获得诺贝尔物理学奖。他们在天体物理学领域作出了先驱性贡献,其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面取得的成就。

 

2001年,美国科学家埃里克?康奈尔、卡尔?维曼和德国科学家沃尔夫冈?克特勒分享诺贝尔物理学奖。他们根据玻色-爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚”。


下面来看看科普中国和镝次元数据传媒实验室联合制作的可视化图表《被刷屏?一张图带你读懂引力波》

小编:八月未央

来源:综合自诺贝尔奖委员会官网科学网科普中国、中国新闻网

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