發現引力波憑什麼獲諾貝爾物理學獎?引力波究竟是什麼?

2017年度諾貝爾物理學獎今天在瑞典授予雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什三位美國物理學家,以表彰他們在引力波研究方面的貢獻,三人都在美國激光干涉引力波天文台(LIGO)工作。那麼引力波究竟是什麼?發現引力波的意義究竟有多大?為什麼發現引力波可以獲得諾貝爾物理學獎?

宇宙可以看成這樣一種存在,時間和空間是基底,物質編織在基底上;或者說時間空間是舞台,而物質是演員,在舞台上演繹我們日常所見的精彩事件。物質通過電磁波和引力波不斷輻射能量,只是引力波與物質彼此之間的相互作用非常微弱,所以雖然愛因斯坦早就預言了引力波的存在,但它不像電磁波這樣容易為我們所感知,所以科學家們一直不能確認它的存在。

那麼引力波究竟是什麼呢?電磁波是物質之間相互交換能量和動量的現象,而引力波是物質和時空之間交換能量的現象,因此電磁波是物質引發物質的形變,引力波是物質引發時空的形變,是物質對它存在的時空本身的作用。只是我們平時所見的物質質量太小,難以引發可觀測到的時空扭曲現象,就像演員在舞台上表演,我們能夠看到的是演員的揮手投足——電磁波,看不到的是演員引發的舞台形變——引力波(比喻,非真的引力波)。即使是科學家們首次探測到的14億光年外,兩個質量分別為29和36倍太陽質量的黑洞合併,損失了3個太陽質量形成62倍太陽質量的新黑洞,其攪動時空所引發的引力波,也僅把地球上長達4公里的LIGO懸臂扭曲了不到一個質子直徑萬分之一的長度。由此可見,要發現引力波是何等的困難!

那為什麼發現了引力波就可以獲得諾貝爾獎呢?物理學的第一次革命是牛頓發現萬有引力,奠定了經典物理學的基礎,愛因斯坦的廣義相對論則重新定義了我們的時空觀,幾乎將宏觀世界的所有秘密都呈現在我們眼前;第二次革命是電子的發現,奠定了量子力學的基礎,科學家們在微觀尺度的不斷探索,創生了現代化學、生物學等幾乎所有現代科學學科,以及我們現代生活所需的所有物質成果。

廣義相對論描述引力,量子力學描述其它三種力但不包括引力,當科學家們試圖將二者結合起來充滿信心地揭示宇宙的終極奧秘時,卻沮喪地發現它們根本無法相容,在時空的最小尺度上引發了驚濤駭浪,「廣義相對論的方程無法平息量子泡沫的喧囂」(布賴恩·格林)。引力波的發現,讓我們第一次掌握了直接探測時空變形的工具,黑洞、暗物質、暗能量,這些無法用電磁波「看見」的東西,很可能會呈現在引力波的精彩世界裡,和探測物質形態的工具電磁波結合起來,一個包含了所有宇宙時空和物質的量子引力世界正在向我們走來,愛因斯坦窮其一生追逐的萬有理論很可能會在不久的將來成為現實。

所以,引力波的發現獲得諾貝爾獎,不僅眾望所歸,或許也是諾貝爾獎歷史上分量最重的一次之一。

推薦閱讀:

諾貝爾頒獎典禮今舉行:獎金600萬 鮑勃迪倫缺席
除了獎金以外,諾貝爾文學獎得主還會獲得什麼?
諾貝爾文學獎的中國故事
莫言上台領取2012年諾貝爾文學獎 微笑鞠躬致意
瑞典:斯德哥爾摩的諾貝爾之旅

TAG:物理學 | 引力 | 引力波 | 發現 | 物理 | 諾貝爾 |