眾望所歸！2017 諾貝爾物理學獎給了引力波發現者

文 | 心箭菌

沒有意外，2017 諾貝爾物理學獎給了引力波發現者。

今年下午，瑞典皇家科學院宣布將 2017 年度諾貝爾物理學獎授予美國的 Rainer Weiss、Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish，用以表彰他們在引力波研究方面的貢獻。 獎金的一半給了 Rainer Weiss，另一半由 Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish 分享。

LIGO是一個由二十多個國家一千多名研究人員合作的項目，他們一起實現了近五十年來的願景。評委會認為，2017 年諾貝爾物理學獎得主的熱情和決心對 LIGO 的成功是無價的，他們一起經過數十年的努力，最終發現了引力波。

首先，讓我們來聽一聽引力波的聲音。下面為LIGO 的 Hanford 觀測台負責人 Michael Landry 做客 2017 年的極客公園創新大會（GIF）時的視頻。

（引力波傳播示意圖）

差點被愛因斯坦親自否認的引力波

在 20 世紀早期，愛因斯坦提出了廣義相對論理論，解決了在牛頓的理論體系下一些無法解釋的問題，並基於該理論提出了一些看上去很怪異的預測，比如說星光彎曲、黑洞的存在、大爆炸以及引力波。

引力被認為是時空彎曲的一種效應，這種彎曲是因為質量的存在而導致。通常而言，在一個給定的體積內，包含的質量越大，那麼在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率產生變化，並且能夠以波的形式向外以光速傳播。

關於引力波最形象的描述可能就是「時空漣漪」了。宇宙中，兩個質量極大的物質（比如黑洞）相互高速地環繞，會讓周圍的時空產生一陣陣的「漣漪」。就像在平靜的水面丟下一個小石塊，水面會有一圈圈的波紋向外擴散，這時候水面就是時空，水的波紋就是引力波。

當一個引力波通過一個觀測者的時候，因為應變 (strain) 效應，觀測者就會發現時空被扭曲。當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少，這個頻率對應了引力波的頻率。

不過，引力波的驗證史極其曲折，甚至連愛因斯坦本人都一度懷疑引力波的存在。1916 年和 1918 年，愛因斯坦先後發表了兩篇關於引力波的論文，但到了 1936 年，他卻忽然對引力波失去了信心，宣稱引力波並不存在。幸虧當時接到他投稿的《物理評論》找了普林斯頓大學副教授霍華德·羅伯遜審稿，羅伯遜委婉地指出了論文中的錯誤並提出了適當的修改方案，雖幾經波折，但愛因斯坦最終還是修改了論文，弱化了他對引力波存在與否的消極看法。

（兩個互相吸引的黑洞-示意圖）

「開啟面向宇宙的新窗戶」

如果可以找到引力波，能夠再一次驗證愛因斯坦廣義相對論的正確性，但問題是引力波太微弱了，可以產生巨大引力波的中子星、黑洞距離我們非常非常遙遠，引力波的直接探測極其困難。

直到 2016 年 2 月 11 日，LIGO 科學合作組織宣布，他們於幾個月前成功探測到來自於兩個黑洞合併的引力波信號。這是過去一年裡科學界最重大的突破之一，引力波的發現標誌著人類在太空探索的路途上邁出了里程碑式的一步。

（LIGO 位於華盛頓州漢福德的探測器）

LIGO 是探測引力波的一個大規模物理實驗和天文觀測台，在美國華盛頓州的漢福德（Hanford）與路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）分別建有激光干涉探測器。它由美國國家科學基金會（NSF）資助，加州理工學院與麻省理工學院的物理學者 Kip S. Thorne、Ronald W. P. Drever 和 Rainer Weiss 領導創建。

上世紀 70 年代，科學家提出了使用激光干涉儀探測引力波的方法，而激光干涉儀也是 LIGO 以及世界上其它引力波探測站目前正在使用的探測方法，它的原理大致如下。

首先從激光器中發射出一束頻率非常穩定的激光，這一束激光先通過分光鏡，然後被分為兩束強度相同的激光，這兩束激光分別進入兩個互相垂直的干涉臂（LIGO 建造了兩個 4 公里長的真空管道），激光光束在抵達盡頭後，會通過鏡片反射回來，然後在分光鏡的位置相遇，在這裡會有一個輸出埠，用於讀出這兩束激光合併在一起、產生干涉後的光強。

通過控制這兩個互相垂直干涉臂的長度，這兩束激光是可以互相抵掉的，這時候輸出埠上就無法讀到光信號。當有引力波通過，會引起時空變形，一個臂的長度會變長，另一個臂的長度變短，從而造成光程差，激光干涉條紋會因此發生變化。

LIGO 用的激光干涉儀在減震、光源、數據處理上做了大量的改進，讓其使用的設備擁有遠超之前探測設備的精度。2015 年 9 月 14 日，引力波穿過地球，它首先通過了路易斯安那的引力波探測器，7 毫秒之後通過了 3000 公里外的華盛頓探測器。

（漢福德觀測台控制室）

經過嚴謹的數據分析後，LIGO 得出，這次探測到的引力波是兩個黑洞在互相融合期間釋放出的，這次的融合發生在 13 億年前，之後它們發出的引力波就開始向著包括地球在內的宇宙各個地方進行傳播。

這兩個黑洞的初始質量大約為太陽的 30 倍，以 0.5 倍光速的速度繞著對方旋轉。二者融合之後，大約 3 倍太陽質量的物質轉化為能量，以引力波的形式釋放出來，瞬間的功率超過了宇宙中所有恆星的功率之和。當然，這些能量並不是以光的形式釋放的，而是全部以空間形變的方式。

引力波的發現讓人興奮，在《紐約客》雜誌去年發表的長篇報道《「發現引力波」背後的故事》中，LIGO 發起者之一的 Thorne 稱，「我們在開啟一個面向宇宙的新窗戶，這個窗戶和以往所有的窗戶都非常不同，我們對什麼東西會通過這個窗戶進來也很無知，一定會有更大的驚喜等待著我們。」

根據愛因斯坦的理論，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接，大爆炸之初的引力波在 137 億年後的今天仍然可以被捕捉到，一旦捕捉到宇宙大爆炸時期的引力波，就有望了解宇宙的開端和運行機制。對引力波的成功捕捉意義重大，證實了愛因斯坦的理論，從而成為我們了解宇宙真相的紐帶。

2015 年 12 月、 2017 年 1 月、2017 年 8 月，LIGO 及位於義大利比薩的 VIRGO 引力波項目成功捕捉到了另外三次引力波。

Rainer Weiss

美國理論物理學者，1932 年 9 月 29 日在德國柏林出生，因在引力物理學與天文物理學的貢獻而知名於學術界，是麻省理工學院物理學榮譽教授。在他學術生涯中最重要的成就為發展出激光干涉術，其為激光干涉引力波天文台（LIGO）的關鍵技術。Weiss 是宇宙背景探測者（COBE）科學工作小組的主席。

Kip S. Thorne

美國理論物理學家，1940 年 6 月 1 日出生在美國猶他州的洛根市，研究領域主要是在相對論性天體物理學和引力物理學，其中比較著重於相對論性星體和黑洞方面的論題，特別是關於引力波的論題。最被公眾所知與極具爭議性的論述無疑應屬他的關於蟲洞或許能夠用來做星際旅行或時間旅行的主張。

Barry C. Barish

1936 年生於美國東北奧馬哈市，領導了 LIGO 建設及初期運行，建立了 LIGO 國際科學合作，他把 LIGO 從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。

圖片來源：維基百科、諾貝爾獎官網、網路

責任編輯：雙筒獵槍

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