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[UFO探索]诺贝尔和引力波

外星探索的小编喜欢把人类探索宇宙的过程比喻为人类进行的拼图游戏,每一次我们有了新的发现,不外乎就是人类又找到了一块拼图,而这些拼图放在合适的位置组合起来,呈现出来的就是真相。而且小编发现现在的诺贝尔奖通常是几个人或者几个团队共同分享,因为拼图的复杂程度越来越大,而边缘学科越来越广阔。人类探索发现未知的领域越来越多,去年被说的火热的引力波并没有和诺贝尔奖有什么关系,今年则让引力波研究的科学家捧得大奖。而这一切的理论基础是爱因斯坦早年理论提出的——光发生弯曲现象。而自去年人们热议引力波这一话题的时候,人们就相信LIGO获得诺贝尔奖仅仅是时间问题。

瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予雷纳-韦斯(Rainer Weiss),巴里-巴瑞斯(Barry C. Barish)和吉普-索恩(Kip S. Thorne)三位科学家,以表彰他们在引力波研究方面的贡献。为什么一项常人难以理解的天体物理学新发现能够引发如此多的关注?究竟什么是引力波?发现了引力波,又有怎样的科学意义?

  引力导致的时空弯曲

瑞典斯德哥尔摩当地时间10月3日,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他们在引力波研究方面的贡献。  瑞典斯德哥尔摩当地时间10月3日,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他们在引力波研究方面的贡献。

  我们无时不刻地感知到重力——也就是引力的存在。而在广义相对论中,引力可以用时空弯曲来解释。假设时空就是一张蹦床:一枚小小的网球放在蹦床上,它只会静静地停在那里;而如果此时在蹦床上坐着一个人,蹦床就会向下凹陷,那枚小网球则会滚向这一凹陷处,而且越是离得近,滚得越是快,网球被这处凹陷"吸引"了。

  显然,坐在蹦床上的那个人体重越大,凹陷就越是明显,网球就越是容易滚向凹陷处。同理,在时空中,引起改变的那个物体质量越大,时空弯曲程度就越是明显,产生的"引力"也更大。

  而在那个人一屁股坐上蹦床的那一瞬,蹦床的弯曲会从凹陷中心处向外扩散;此时,如果用高速摄影机观测、并回放慢镜头,会发现这一扩散过程是以波动的形式进行的。就好像平静的水面上投一枚石子,会产生一圈圈的涟漪――这就是引力波。

  引力波产生在物体加速过程中,即物质的分布发生改变时(一屁股坐上蹦床的时刻)。比如恒星爆炸、黑洞碰撞,都会产生引力波。引力波会引起时空的伸缩、影响时空的结构(蹦床的弯曲从凹陷处呈波浪状扩散)。

  为何花了一个世纪?

当地时间2016年2月11日,耶路撒冷,希伯来大学的爱因斯坦档案馆馆长Roni Gross展示爱因斯坦有关引力波的原始文件。  当地时间2016年2月11日,耶路撒冷,希伯来大学的爱因斯坦档案馆馆长Roni Gross展示爱因斯坦有关引力波的原始文件。

  爱因斯坦在1916年发表广义相对论时,就预言了引力波的存在。与声波、光波(电磁波)不同的是,引力波在宇宙中的传播不会受到任何阻挡。

  爱因斯坦描述了时空是如何被引力波拉伸以及压缩、时空是如何弯曲,也描述了物体是如何在弯曲的时空中运动的。

  爱因斯坦的这一理论被提出后,众多物理学家都在努力寻找引力波存在的证据。然而,受时代所限,早年间的科学家没有足够的技术手段来进行观测。

  难以观测的一大原因就是引力波太微弱了。就好比我们观察蹦床弯曲的波浪状扩散需要高速摄影机,观测引力波也需要极端精密的仪器。抵达地球的引力波,其振幅大约相当于氢原子的100亿分之一。

  这次立了大功的LIGO(激光干涉引力波探测器),是由相距3000公里的两个精密观测装置共同组成的。每个观测装置都具有两条相互垂直的管道,每条管道长4000米,构成L型。管道内安装有半透镜以及反射镜。激光在L型管道的节点处被半透镜分为两路,分别走向L型管道的两端,从尽端反射回来后,重新汇聚。如果没有引力波的影响,重新汇聚后的激光会因为同频干涉而相互抵消。而引力波会极其细微地改变反射镜与半透镜的距离,从而影响本应相互抵消的干涉结果。

  而之所以要相隔3000公里修建两套一样的观测装置,则是为了便于科学家比对引力波的方向以及时间节点。

  除了LIGO项目,还有许多其他装置也在找寻引力波的影踪。欧洲空间局最近发射了一枚卫星,可以用来观测宇宙的细微波动。

  证实引力波为何意义重大?

  从科学意义上而言,证实引力波确实存在,将彻底改变物理学对宇宙的认知。科学家将能够由此来研究大爆炸事件的后续影响,还能够更精确地来观察宇宙中遥远的角落。源自大爆炸的引力波,还能帮助科学家更好地理解宇宙的构成。

  从科学史角度来看,捕捉到引力波直接存在的证据,就是补上了爱因斯坦广义相对论实验验证的最后一块拼图。广义相对论的其他几项预言――例如可见光和电磁波的弯曲、水星近日点进动、引力红移效应此前都已经被证实。

  从普通人的现实角度,虽然暂时无法预测引力波会有哪些现实的应用价值。但是看似远离日常生活的、1916年发表的广义相对论,对于如今广泛应用的卫星定位技术,却是不可或缺的:卫星必须依照广义相对论,来修正由地球引力导致的时空弯曲。

自2016年2月11日LIGO团队宣布成功探测到引力波,完成爱因斯坦广义相对论最后一块拼图后,诺奖只是一个时间问题。只是因为结果公布比当年的诺奖提名截止时间晚了10天,LIGO晚了一年获奖,刻在科学最高荣誉殿堂里的名字也有了些许改变:罗纳德-德雷弗(Ronald Drever)没有出现。

  罗纳德-德雷弗,苏格兰实验物理学家,LIGO三位联合创始人之一,2017年3月7日逝世于爱丁堡,享年85岁。

  这位给LIGO留下了许多基础性设计的苏格兰人,早在25年前就因与当时NSF(美国国家科学基金会)指派的项目负责人罗克斯-沃格特(Rochus Vogt)不睦,被没有任何官方解释地“踢”出了团队,并被禁止踏入LIGO办公楼半步。

  德雷弗放弃了加州理工学院给予另一个独立引力波项目的补偿,从此消失在LIGO的故事里。2016年,当荣誉奖项纷至沓来,媒体报道连篇累牍,德雷弗均作为一个名字被匆匆带过。其时,他已深受痴呆症之困,所幸仍能理解引力波探测成功的消息,并为之开心不已。

  对LIGO来说,“消失”了25年的德雷弗是一个微妙的存在。甚至,从某种意义上来说,当德雷弗最终“消失”在这个世界上,诺奖评委会面临的一道难题也迎刃而解:诺奖最多只能提名3个人,LIGO三位联合创始人雷纳-韦斯、吉普-索恩和德雷弗固然重要,但在项目进程中力挽狂澜的领导者巴里-巴里什也不可或缺。

  德雷弗和巴里什,就这样两次在命运的十字路口擦肩而过。20年前,当德雷弗因LIGO派系斗争被“扫地出门”,整个项目已成一摊死水。巴里什临危受命,用务实而严谨的管理能力争取到项目经费,建立成熟的科研体系,并创立了LIGO科学联盟。20年后,德雷弗怀抱LIGO的成功消息溘然长逝,巴里什受限于“3个获奖人”的尴尬处境也从此结束。

  这两次擦肩而过间,是LIGO长达三十多年的悲喜剧。

  因引力波结缘大洋彼岸:英雄所见略同

  1931年,德雷弗出生在苏格兰南部一个名为Bishopton的村庄。他前半生的轨迹相对简单——在苏格兰的格拉斯哥大学完成了从本科到博士的学业,并留在该校从事博士后研究。但一个重要物理问题就像命运一根无形的线,逐渐将德雷弗与大西洋彼岸的加州理工学院和LIGO项目连在一起。

  这个问题就是如何在实验上证明引力波的存在。引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。在广义相对论的叙述中,时间和空间会在质量面前弯曲。时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。我们在地球上随时随地都可能遭遇来自宇宙中各种源头的引力波:两个黑洞合并、中子星自转、超新星核塌缩等。然而,即使是像黑洞这样巨大质量的系统相互碰撞、合并,产生的引力波信号传递到地球上也是很微弱的。就连爱因斯坦本人也想象不到,能通过怎样方法测到引力波。

德雷弗德雷弗

  1969年,马里拉大学的一位工程学教授韦伯(Joe Weber)宣称利用自己的谐振条探测到了引力波。韦伯谐振条是两个铝制的圆柱体,分置于马里兰大学校园内和芝加哥附近的阿贡国家实验室内。韦伯认为,这两个谐振条可以像铃铛一样,在接触到引力波时振动,并由周围的传感器转化为电信号。为了排除其他地面震动的影响,谐振条被悬置于真空中。当两个谐振条在微小时间间隔内产生同样的震动,韦伯认为他探测到了引力波。

  这个发现让很多物理学家很振奋,但随着很多人并没有重复出实验结果,韦伯的结果也陷入了无限的争议。但被韦伯所启发的一批物理学家中,有很多终其一生继续追寻引力波,并最终相聚于LIGO,其中就包括德雷弗和韦斯。

  德雷弗最初的思路与韦伯类似,试图通过检测铝棒接触到引力波时的长度变化来捕捉引力波。尽管在设备的灵敏性上要比韦伯提高很多,但德雷弗和他的学生休夫(James Hough)始终没有成功。随后,德雷弗的思路转向了激光干涉,并在技术上做出了一些全新的突破,比如通过谐振腔来控制稳定的激光频率的方法。

  这与大西洋彼岸麻省理工学院的韦斯想法不谋而合。韦斯从学生时代就为引力波这个问题着迷,并在教授一堂广义相对论本科课程时将设计探测引力波布置为了课堂练习。1972年春天,韦斯写出了一个初步的设计,每个干涉仪的探测臂有五尺长,但是他申请经费方面遭遇了瓶颈——毕竟当时很多著名物理学家还不相信黑洞的存在。

  加州理工学院的索恩则在稍晚一些投入到通过激光干涉探测引力波的研究,但在经费申请方面要比韦斯顺利得多。1981年,加州理工学院注意到了德雷弗在相关领域的成果,邀请他加盟,专门负责干涉仪建造上的工程问题。

  1984年,NSF出于经费方面的考虑,要求将麻省理工和加州理工的两个独立的引力波探测项目合并成一个,并与当时国际上其他引力波探测团队合作,比如德国的加兴团队和苏格兰的格拉斯哥大学团队,这就是LIGO的雏形。而德雷弗、索恩和韦斯三人也最终在历史的这一页汇合,共同担任LIGO的第一任指导委员会成员。

  2.5亿美元经费博弈:从此LIGO是路人

  在LIGO的设计上,德雷弗的方案最终压倒了韦斯的方案。激光干涉引力波探测仪的基本思路是这样的:两条长度相同的探测臂呈L型放置,在L中间的拐点处放置激光源,沿两条管子各发射一束激光,而在两臂的末端放置一面镜子来反射激光。在真空中,两条同时发射的光束应该同时返回中间拐点相逢,在干涉作用下,光束不会抵达光电探测器。但如果有引力波穿过探测仪,两条真空管中的空间会出现微小的拉伸与压缩,两条光束就会出现光程差,从而外泄到光电探测器上。

LIGO位于华盛顿州Hanford的观测台LIGO位于华盛顿州Hanford的观测台

  1986年,由德雷弗、索恩和韦斯三人组成的指导委员会连续两年没有获得NSF的经费批准。NSF想要LIGO由一人领导,而非三人共治,并最终撤消了指导委员会,选择加州理工学院教务长沃格特担任项目负责人。

  德雷弗和沃格特两人之间开始出现严重分歧,并直接导致LIGO分裂成了两个阵营。他们性格不合,而且在研究路线和领导思路上都南辕北辙。德雷弗对项目进程的预期更为谨慎和保守,他认为LIGO在短期之内设备灵敏度达不到标准,因此,他希望LIGO先着眼于技术方面的提高,建造一个200米左右的缩小版样品。而沃格特给NSF递交的是一份雄心勃勃的方案:2.5亿美元经费,4公里长的庞然大物。德雷弗认为,沃格特是在画空中楼阁,根本无法向NSF兑现承诺。

  德雷弗最终离开LIGO的始末,由于年代久远,当事人又三缄其口,因而多不可考。《科学》1993年4月一篇名为《LIGO:2.5亿美元的赌博》的文章曾记载过这段往事的一些细节。

  1992年7月,德雷弗已在LIGO团队被冷落了一两年,沃格特甚至警告他不得参加当年既定的两场有关引力波探测的学术会议。德雷弗无视沃格特的威胁,参加了一场在阿根廷举行的会议,并在会上作了演讲。他在返程的途中被开除了。

  在短短数小时内,沃格特给LIGO团队成员发送邮件宣布,德雷弗被开除了。他将在LIGO成员的监督下去办公室拿走他的私人物品,此后不准踏入LIGO办公楼半步,也不能打扰LIGO的研究者。

  当年9月,德雷弗就此事向学术自由委员会提交了投诉函。学术自由委员会10月份给出了调查报告,认定德雷弗在学术自由方面确实遭遇了侵犯,承认德雷弗被开除出LIGO团队是不合理的,但只字不提恢复德雷弗在LIGO的职位。该委员会内部成员向《科学》杂志透露,这种忽略是有意为之的。

  当年12月,加州理工出面调停,提出给德雷弗一个为期2年、共计100万美元经费的独立引力波研究项目。德雷弗拒绝了,据他的同事透露,德雷弗将LIGO视为他毕生工作的结晶,除了希望LIGO成功之外别无他求。

  德雷弗和索恩的最后一面

  尽管德雷弗早早离开了LIGO,但他毕生保持着对引力波探测的关注。而他当年留在格拉斯哥大学的团队,在他的学生休夫领导下也持续探究引力波探测,并为LIGO提供过技术上的援助。

  德雷弗给LIGO留下了许多基础性的设计,包括把干涉仪的每条臂做成法布里-珀罗谐振腔。韦斯评价道,德雷弗很有想象力和创造力,“他的思维是图像化的,很多让LIGO变得足够敏感到能探测到引力波的设计,就来自于他脑子的那些构想。

  “他是我见过的最天才的物理学家之一。有些东西我要花好几个小时通过数学计算来理解,他通过直觉很快就能想明白”,索恩说道。

  韦斯告诉《科学》,他觉得德雷弗有点难以共事,但索恩却觉得“大部分情况下觉得和他一起“吃饭很愉快,他是一个很好的朋友”。

  2016年9月,在参加完卡弗里天文物理学奖颁奖典礼后,索恩前往爱丁堡的一家疗养院探访这位老同事兼老朋友。”

  所幸老年痴呆症晚期的德雷弗仍能意识到这个成果,并仍记得当年他在LIGO工作的时光。德雷弗的家人后来告诉索恩,他来拜访那天是德雷弗在2016年最美好的一天。

  巴里什的故事:“我不觉得我配不上诺奖”

  1994年,从破产的美国超级超导对撞机项目中退出的巴里-巴里什接替沃格特,成为LIGO项目的负责人。此时,项目宛如一潭死水。沃格特轻视NSF的监管,拒绝提供一份详细的工作计划,并把LIGO团队维持在举步维艰的小规模。巴里什,这个温和的内布拉斯加人都对LIGO进行了秋风扫落叶一般的改造。

  巴里什在数月内给出了NSF想要的详细计划。他改善了项目的基础装置,比如干涉仪的真空腔,在两个LIGO岗哨安排了常驻科研人员,并为后续的升级改造设立了稳定的研发项目。

  这个新方案被NSF接受,以3.95亿美元成为历史上NSF投资最大的项目。随后,位于路易斯安那州Livingston和华盛顿州Hanford的两个干涉仪破土动工。

  同时,巴里什把LIGO项目拓展到了加州理工和麻省理工之外。1997年,他创立了LIGO科学联盟,吸引数以千计的外界科学家参与。

  1999年,LIGO竣工。2002年,LIGO开始接收数据。2005年,巴里什离开LIGO,前往筹备国际直线对撞机。在离开之前,巴里什留下了一份关键的升级方案。

  2016年,巴里什缺席了卡弗里天文物理学奖、格鲁伯宇宙学奖、邵逸夫天文学奖、基础物理学特别突破奖等一系列荣誉,诺贝尔奖也显得并无希望。

  1979年诺贝尔物理学奖得主格拉肖(Sheldon Glashow)曾致信诺奖评委会:“没有他(巴里什)就没有发现。如果他不分享奖项,就太不公平了。”

2017年诺贝尔物理学奖授予雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什2017年诺贝尔物理学奖授予雷纳-韦斯、基普-索恩和巴里-巴里什

  巴里什曾在2016年说道:“没有我就没有LIGO,这话并非毫无道理。我不觉得我配不上诺奖。如果过了一年,他们决定把奖给那三个家伙,起码我会觉得他们还是考虑过的。如果他们(今年)10月就做决定了,那我会怀疑他们工作没做到家。”

  巴里什和德雷弗,都配得上诺奖。诺奖只能有3个提名,引力波探测路上,我们值得记住的名字还有更多。LIGO团队这30多年的悲喜剧,每一页都在强调一个巴里什接受澎湃新闻采访时的高频词:合作。