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诺奖解读丨探测引力波为人类探索宇宙打开新的窗口

发布时间: 2017-10-04 07:02:59 来源: 浙江在线 浙江在线记者 曾福泉


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  浙江在线10月3日讯(浙江在线记者 曾福泉)瑞典皇家科学院3日宣布,2017年诺贝尔物理学奖授予LIGO科学合作组织的三位先驱和重要领导者雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、吉普·索恩( Kip S. Thorne)和巴里·巴瑞希(Barry C. Barish),以表彰他们带领LIGO项目走向成功并直接探测到了引力波。三人将共享900万瑞典克朗(约合人民币738万元)。

  引力波的发现证明了广义相对论的正确,也为人类观测宇宙开辟了一扇新窗。记者3日采访了中国科学院上海天文台刘庆会研究员,刘庆会说,从光学望远镜,到射电望远镜,再到引力波探测器,科技的不断进步将帮助人类发现宇宙越来越多的秘密。

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  LIGO提供的引力波模拟图


  引力波:时空的涟漪

  引力波被比喻为时空的“涟漪”,是加速中的质量在时空中所产生的波动。早在1916年,爱因斯坦根据广义相对论,就预言了引力波的存在:引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。

  2015年9月,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)在经过多年努力后,终于第一次直接探测到引力波信号——这些引力波来自两个黑洞的相撞,它们经过13亿年的长途跋涉才到达地球。2016年2月11日,科学家们正式宣布了这一发现,引起巨大轰动,当时即被称为“诺奖级”的发现。

  引力波是爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,是物理学王冠上一颗耀眼的明珠。成功探测到引力波,是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。LIGO执行主任大卫•瑞兹表示,正如望远镜开辟了现代观测天文学,引力波的发现开辟了观测宇宙一扇新窗。

  目前人类已经成功探测到4次引力波信号,最近的一次就发生在不久前。今年9月27日,LIGO和欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器团队联合宣布,他们共同探测到了一个新的引力波事件。除LIGO和“处女座”外,欧洲和日本还有其他团队也在从事引力波研究。我国中山大学等提出的“天琴计划”则计划通过向太空发射卫星来探测引力波。

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  LIGO的一个探测器


  LIGO的划时代意义

  刘庆会说,伽利略发明了光学望远镜,人们得以通过光线观察宇宙;射电望远镜则使观测辐射成为探索宇宙的又一途径。然而,如果要探测黑洞,或是宇宙诞生之初,那既没有光又没有辐射的环境,该怎么办?现在,在传统的电磁波天文学无能为力的领域,我们可以靠LIGO等引力波探测装置来获得新发现了。

  实际上,早在2014年,就有美国科学家宣布发现了原初引力波留下的微波背景辐射。虽然后来因为不能排除其他因素的干扰而夭折,但科学家普遍认为宇宙大爆炸和随之而来的“暴涨”,必然在时空中留下原初引力波的痕迹,等待人们捕获,揭开宇宙诞生之初的秘密。

  科学家多年苦苦追寻引力波,投入了大量智慧和汗水,直到去年才获突破,实在是因为探测引力波对精度的要求太高了。LIGO是用激光干涉的方法来探测引力波的:当引力波经过时,时空的伸缩使探测器两条长臂的距离一条增大,另一条减小,激光就会出现干涉条纹。“激光的波长很短,要完成实验目标,对科学装置的建设提出了极高的要求。”刘庆会说。

  目前的LIGO干涉仪由两条分别长达4公里并且互相垂直的干涉臂构成。沿着每条臂传播的激光束在末端反光镜(悬挂的测试质量)处被反射。在建设过程中,相关装置都实现了高精度和高稳定性。

  另一方面,利用射电望远镜对脉冲星进行计时观测也能对引力波探测做出贡献。美国科学家曾利用射电望远镜观测脉冲双星,获得了引力波存在的间接证据,这一发现获得了1993年诺贝尔物理学奖。

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  为广义相对论补上失落百年的证据

  爱因斯坦曾经断言引力波使不可探测的,但科学家在一个世纪后终于成功捕获了引力波,使之从理论成为现实。

  LIGO科学合作组织成员、德国马普引力物理所的胡一鸣说,探测到引力波使广义相对论的几个重要预言得到证实。广义相对论认为,时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。当物质在时空中运动时,就会产生引力波。爱因斯坦说,当一列引力波向你迎面走来时,你会忽而又高又瘦,忽而又矮又胖,并且循环往复。引力波作为广义相对论的一个重要推导,其真实存在成为广义相对论正确的一个重要证据。

  对引力波的探测还同时证明了质量几十倍于太阳的黑洞的存在。目前人们探测到的引力波都来自黑洞的合并。如LIGO首次探测到的引力波,是由距离地球13亿光年之外的两个黑洞合并产生的,质量大约分别是太阳质量的29和36倍。13亿年前,大约3倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍。

  引力波的成功探测,意味着人类已经通过时空本身的扰动来探索宇宙的奥秘。未来,还有大量的新发现在等待着我们。

  

【获奖人简介】

  基普·索恩(Kip Stephen Thorne)

  基普·索恩(Kip Stephen Thorne),1940年6月1日出生在美国犹他州的洛根市,现年77岁。父亲维恩·索恩是农艺学专家,母亲艾莉森·索恩是经济学家。索恩早年在学术道路上顺风顺水,成为了加州理工历史上最年轻的正教授之一。他于1962年获得加州理工的学士学位,在1965年获得普林斯顿大学的博士学位。1967年索恩回到加州理工被聘任为副教授,三年后晋升为理论物理的教授。

  雷纳·韦斯(Rainer Weiss)

  雷纳·韦斯(Rainer Weiss),1932年9月29日在德国柏林出生,现年85岁。为了躲避政治动荡,一家在1932年末搬家到布拉格,后在1938年搬家到美国。他年轻时在纽约市度过,曾就读于哥伦比亚文法学校。他在1955年获得麻省理工学士学位和1962年获得麻省理工学院博士学位。他于1960至1962年执教于美国塔夫斯大学,1962至64年是普林斯顿大学的博士后学者,后于1964年加入麻省理工任教。

  巴里·巴里什(Barry Clark Barish)

  巴里·巴里什(Barry Clark Barish),出生在美国内布拉斯加州的奥马哈,现年81岁。他在南加州长大,高中就读于洛杉矶。1957年获得物理学学士,1962年获得加州大学伯克利分校的实验高能物理的博士学位。1963年他加入加州理工。巴里什在美国自然科学基金会国家科学委员会批准资助该项目中发挥了重要作用,并对LIGO的建造和交付使用发挥了重要作用。他还创建了LIGO的科学合作组织(LIGO Scientific Collaboration),目前全球的合作者已经超过1000个。


【近十年诺贝尔物理学奖情况】

  2016年诺贝尔物理学奖被授予David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J.Michael Kosterlitz以奖励他们在拓扑相和拓扑相变方面的杰出贡献。了解详情请点击这里。

  2015年诺贝尔物理学奖被授予日本科学家梶田隆章和Arthur B. McDonald以表彰他们分别发现了大气中微子和太阳中微子的振荡,证明了中微子有质量。

  2014年诺贝尔物理学奖被授予日本科学家赤崎勇、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年诺贝尔物理学奖被授予比利时理论物理学者François Englert和英国理论物理学家Peter W. Higgs,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年诺贝尔物理学奖被授予法国科学家Serge Haroche与美国科学家David J. Wineland,两位物理学家分别因为在量子光学领域束缚并用原子操控光子的量子态和束缚并用光子操控带电离子的量子态而获奖。

  2011年诺贝尔物理学奖被授予Saul Perlmutter, 以及Brian P. Schmidt 和Adam G. Riess一组合作者,表彰他们通过观察远处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Andre Geim和Konstantin Novoselov,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Willard S. Boyle和George E. Smith。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。后两者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Yoichiro Nambu和两位日本科学家小林诚、利川敏英。Yoichiro Nambu因为发现粒子物理中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年诺贝尔物理学奖被授予法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg,表彰他们先后独立发现了“巨磁电阻”效应。(资料来源:中科院物理所)


标签: 编辑: 曾福泉
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