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获2017年诺贝尔物理学奖的引力波探测

发布时间:10/8/2017 7:00:58 AM

北京时间10月3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。

在获得本年度的诺贝尔奖前,引力波项目已经斩获了诸多世界大奖,包括由科学突破奖、邵逸夫奖等。


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。

2016年发现引力波曾引发轰动

两颗黑洞相互盘旋发出引力波示意图

2016年2月11日23点30分,美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!这则消息曾引发科学界的轰动!

那次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

实际上,科学家目前已经四次捕捉到引力波。刚刚过去的2017年9月27日,美国和欧洲两个引力波项目组在意大利都灵召开新闻发布会称,两个项目组的3台干涉仪首次共同探测到了“时空涟漪”,不仅再次验证了广义相对论,还更准确地定位了产生引力波的黑洞位置。

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。

共振型引力波探测器

韦伯教授在调试他的引力波探测器(1965年)

上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成,直径1米,长2米,质量约1000千克,用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时,圆柱会发生共振,进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器,只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年,韦伯宣称他探测到了引力波,立刻引起了学界的轰动,但是后来的重复实验都一无所获。

激光干涉引力波探测器

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德(左)和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000公里

上世纪70年代,加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯(Rainer Weiss)等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高,要能够在1000米的距离上感知10^-18米的变化,相当于质子直径的千分之一。直到上世纪90年代,如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长均为4000米。在两臂交会处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短,这样就会造成光程差发生变化,因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年开始运行。

2007年,LIGO进行了一次升级改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月,增强LIGO开始运行直到2010年10月结束。

在2002年到2010年期间,LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

2010年,LIGO进行了为期五年的重大升级改造,改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍,被称为“先进LIGO”。2015年9月18日,先进LIGO开始试运行。据悉,本次探测到的引力波是升级前的LIGO于2015年9月14日探测到的信号。

目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内,除了美国的LIGO引力波探测器之外,还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。

地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10^4赫兹。除了地基引力波探测器之外,科学家也在积极筹备“激光干涉太空引力波天线”(LISA/ eLISA)。理论上,eLISA探测引力波频率范围为10^-5赫兹~1赫兹。

值得一提的是,科学家也在利用一种叫“脉冲星计时阵列”(PTA)的射电天文方法探测更低频率(纳赫兹)的引力波。PTA与eLISA、LIGO在探测频率上形成互补关系。

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。

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《一张图带你读懂引力波》


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