​2017年诺贝尔物理学奖正式揭晓！主角果然是它！

2017年诺贝尔物理学奖正式揭晓！主角果然是它！

2017-10-04 12:59

北京时间10月3日17点45分，万众瞩目的2017年诺贝尔物理学奖揭晓。本次的获奖者为：雷纳·韦斯 (Rainer Weiss)，巴里·巴里什（Barry Clark Barish），基普·索恩(Kip S Thorne)，以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献以及探测到引力波的存在。

左起：雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)

基普·索恩，这个名字科幻迷不会陌生，他是电影《星际穿越》的科学顾问。

他还写了一本给所有人的天文学通识读本，也叫《星际穿越》。里面讲到了一连串让人瞠目结舌的宇宙奇景：大爆炸、黑洞、时空弯曲、潮汐力、虫洞、引力弹弓、星际旅行等等。

那么，国内有没有专门关于引力波的科普书籍呢？说真的，在2016年之前，几乎没有。2016 年 2 月 11日，在爱因斯坦预测引力波存在的100 年之后，国际研究小组LIGO宣布人类首次探测到了引力波。这在当时是很轰动的科学事件。

当时深夜君要做一个介绍引力波的科普书专题，但找来找去，只找到一本1999年出版的书：

《宇宙之海的涟漪：引力波探测》

大卫·布莱尔等著，王有瑞译

江西教育出版社，1999年10月

这也说明，引力波这个东西太新了。不过在这之后，介绍引力波的专业书籍一下子多了起来，报下书名：2017年8月出版的《引力波》，2017年3月出版的《追踪引力波》，2016年12月出版的《永恒的诱惑：宇宙之谜》。

那么，什么是引力波？它对人类探索宇宙有什么意义？前面说的《宇宙之海的涟漪：引力波探测》可以说是人类探索引力波的前传了。这本书由澳大利亚的大卫·布莱尔与杰夫·麦克纳玛拉合著。其中大卫·布莱尔是从事引力波研究的一线专家。

两位作者对引力波的原理解释得非常深入浅出，还用轻松的笔触讲述了引力波探索的各种逸闻趣事。例如这群引力波探索者被天文学同行讥诮为“一群抢夺天文经费的物理学家"，还有一次他们捕捉到的引力波信号，只是掠过探测站的一架飞机。

01

为什么要探测引力波？

13亿年前，两个黑洞并合，其搅动时空产生的引力波信号开始了漫漫的星际旅途；2015年9月14日，刚刚升级完毕的LIGO捕捉到了这个信号，并将之命名为GW150914。目前，人类已经分别在2015年9月、2015年12月、2017年1月和2017年8月完成了四次引力波的观测，在最近一次引力波的观测中，由位于美国和意大利的三处天文台同时观测到这种黑洞融合现象。

科学家模拟的引力波图像

但探测引力波为什么如此重要呢？在我们这个世纪，几乎所有人都认为我们对自然和宇宙起源的认识已接近完美，但仍有很多问题没有解决。譬如，我们仍没有弄清楚现今的宇宙为什么是这个样子。为解答类似的问题，我们需要找到观测宇宙的新方法。

从伽利略开始，天文学家们一直在通过不断增加的电磁波谱的波段范围来探测宇宙。起初只是可见光，我们通过望远镜将可见光捕获、放大，并通过不断增加望远镜的尺寸和数量以获得更有效的观察结果。

后来，无线电波的发现使我们看到了一个没有人会相信的宇宙。再后来是宇宙飞船上的X射线和伽玛射线望远镜，以及紫外线和红外线望远镜。

引力波代表着一个全新的尚待开发的波谱，我们不能将其视为电磁波谱中的一扇新窗户，而应将其视为一种可以被用来探索宇宙的全新的波谱。电磁波给我们的是延伸的视觉，而引力波则提供一种全新的感觉：听觉。

引力波让我们可以倾听宇宙，我们希望有朝一日能亲耳听到恒星的爆炸、中子星的合并、黑洞的创生等，甚至听到宇宙初创时那声空前绝后的大爆炸！有了这种新的感觉，我们也许能弄明白眼前的宇宙为什么会是现在这样。

02

探测先驱约瑟夫·韦伯

当下引力波探测的先驱是LIGO科学合作组织，也就是这次获诺奖的三位科学家。但我们不要忘了历史上探测引力波的真正先驱——约瑟夫•韦伯（Joseph Weber，1919—2000年）。

1969年，美国物理学家约瑟夫·韦伯宣称，他已取得很多人认为是不可能的成就：探测引力波。这一宣布使人们立即对韦伯刮目相看，全美各地纷纷邀请他去做报告。

韦伯是个精瘦、刚毅而又活跃的老头子，长着一头像爱因斯坦一样又粗又硬的灰白头发。他的报告充满着激情和幽默，甚至使深奥的数学也变得有趣起来。

但韦伯的名望很快遇到了挑战，人们开始怀疑他的正确性，展开旷日持久的大论战。韦伯是否真正发现了引力波，我们暂且放在一边。但不可否认，这位伟大的科学家的确激发了全世界寻找广义相对论中一个仍未被证实的预言的热情。

二战后，晶体管的发明引导了一场全人类的电子革命。其时，韦伯刚刚从海军退役，他使用一种“非热平衡"的系统来寻找将信号放大的方法。他的思路是，使用原子或分子的集合体，使之充满能量，当微弱的射电信号通过它们时，原子释放出与原始信号一样的能量，只不过更强烈一点。

这一过程的最初预言者是爱因斯坦，后来人们发现了更为著名的同类物质：激光。

大多数科学家包括爱因斯坦在内，将引力波仅看作学术兴趣，他们认为，如此微弱的信号无法探测。但韦伯却不信邪，勇敢地接手了这一挑战。

1969年底，韦伯在权威杂志《物理评论快讯》上列出一系列零时延迟事件的超出值，并声明这是真正的引力波迹象。这意味着，他探测到的每一个脉冲，比人们所能想象的爆发力，还要高出几百万倍的闪烁。

美国路易斯安那州，激光干涉引力波天文台

理论家们想象，某个位于银河系中心的黑洞，可能会发射出强烈的引力波。人们开始相信韦伯的结论，天文学家们着手寻找引力波的可见迹象，他们每年都要搜索成千上万颗恒星。

上世纪70年代初期，韦伯继续报告更多的信号，表明这些波动的确是从银河系中心传来的。但到1972年，其他研究者开始报告他们的发现。IBM研究室、贝尔电话实验室和巴黎、慕尼黑、罗马、格拉斯哥和莫斯科的探测器，都重复着韦伯的寻找工作，但什么也没有发现。对他们来说，宇宙是寂静的。

年末，科学家们在麻省理工学院召开了一次引力波研讨会。有两位科学家，一位叫托尼·泰森，一位叫理查德·高文，都宣称韦伯的发现不正确。证据之一是韦伯提供的双倍数据是计算机程序错误引起的。

理查德·高文固执地不信任韦伯，韦伯异常沮丧，两人争执的声音越来越大，最终虎视眈眈，握拳相向。眼看两个科学家就要开打了，主持会议的菲里普·莫里森教授一瘸一拐地走到他们中间，举起拐杖硬是将他们分开。

03

5000万美元的人造蓝宝石

当韦伯寻找引力波时，他所制作的探测器的灵敏度却远达不到探测要求。后来人们研制出更先进的探测器，使用的是超导材料。超导是指材料在冷却到极低温度时表现的一种特性。这一改进使韦伯的原始仪器在功效上提高了10000倍以上。

量子极限是可探测振动量级的最基本极限，这个问题最初由俄罗斯科学院院士布拉金斯基提出。他是一个地道的俄罗斯人，圆圆的脸蛋，愉快的微笑，嘴角总是挂着根香烟。

布拉金斯基对共振棒的热噪音更为关注，他的答案是寻找一种更好的材料：纯的人造蓝宝石。这种材料的损耗极低，低到足以消除所有热噪音的地步。布拉金斯基在莫斯科国立大学极为原始的条件下证明了这些。他说服一个水晶研究所为他制作了一根约半米长的水晶棒。用他的话说，你必须“用最细的中国丝绸或最细的瑞典钨丝将它悬挂起来"。

布拉金斯基的蓝宝石棒长度为半米，频率为40000赫兹，可以说是超声波，这对于可能的引力波来说高得太多了。要降低其频率，就需要更长的棒。那样的话，价格又高得令人咋舌：一家美国公司提出制造一根长约5米、直径为1米的人造蓝宝石棒，在不保证成功的情况下，居然开价5000万美元！

04

钱！钱！钱！

与引力波天文学紧密联系在一起的是能源、人力和金钱。有一位澳大利亚光学天文台台长曾指责引力波研究者是“一群试图抢劫天文学金钱的物理学家"！现实是，任何一个引力波观测站都非常昂贵。

在美国，为建立引力波观测站而争取基金的斗争过程相当复杂，若将之比为一个人的一生，引力波站的建立则经历如下几个阶段：阴差阳错的婚姻、难产、多病的童年和动荡不安的青春期。整个故事将为未来的科学史家们提供数不尽的素材。

美国国家自然科学基金会资助麻省理工学院的雷纳·韦斯对激光干涉仪的研制。加州理工学院的理论天体物理学教授基普·索恩，则说服他的大学建立了一座激光干涉仪引力波探测器，他们从格拉斯戈小组将万·杜拉韦聘请过来，并让他最后落户于洛杉矶。

杜拉韦是一个矮小粗胖，说话奇快的苏格兰人，对物理学有一种直觉，而且善于利用废弃物。他习惯于在他的实验中使用无线电控制的玩具小汽车和电控火车，他更奇特的主意之一是将橡胶玩具汽车夹在钢或铅之间，用以隔离震动。

杜拉韦的很多怪念头都有相当重要的意义。其中之一就是能量回收法。假定所有的激光能全部撞击到图影探测器上，探测器将被毁坏，但能量是守恒的，亮光不得不逃离到其他地方。

这位苏格兰人说：为什么浪费这些光呢？他提议在输入处安装一个高效反射镜，将逃出来的光线直接回送回去。令人惊讶的是，这一方法收到了很好的效果。

当回收镜被仔细定位后，浪费的光亮重新又加入到干涉仪的光中，使光的总积累增大数百倍，这一观念成为现在激光干涉仪技术的基石。

这次宣布发现引力波的LIGO小组，它的主要赞助者是美国国家自然科学基金会、英国科学与技术设施理事会、德国的普朗克协会以及澳大利亚研究委员会。这个项目耗资超过6亿美元，研究者超过1000人，主导单位是加州理工学院与麻省理工学院。

这次诺贝尔物理学奖的公布，无疑意味着对引力波探测的权威肯定。那么，你准备好了吗？迎接正在开启中的引力波天文学的新时代。