苗千

2017年10月3日，瑞典皇家科學(xué)院將本年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位在引力波探測(cè)中做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家：來(lái)自麻省理工學(xué)院的萊納·魏斯（Rainer Weiss）將獲得二分之一獎(jiǎng)金，來(lái)自加州理工學(xué)院的巴里·巴里什（Barry C.Barish）和基普·索恩（Kip S.Thorne）將各獲得四分之一獎(jiǎng)金。

近些年來(lái)，本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歸屬算得上是最沒(méi)有懸念，也最為眾望所歸的一次。這關(guān)系到人類(lèi)對(duì)于廣義相對(duì)論一百多年來(lái)的不懈驗(yàn)證，以及對(duì)于宇宙時(shí)空中所產(chǎn)生的極其細(xì)微的波瀾長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的探索。

人類(lèi)能夠把整個(gè)宇宙作為一個(gè)對(duì)象來(lái)研究，起源于1915年愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論。隨著對(duì)廣義相對(duì)論的認(rèn)識(shí)逐漸深入，人類(lèi)也逐漸開(kāi)始理解整個(gè)宇宙的時(shí)空和物質(zhì)之間相互作用要受到一套基本原則的約束。另一方面，通過(guò)推導(dǎo)和求解廣義相對(duì)論的方程，科學(xué)家們也得出了一些令人吃驚的結(jié)果，例如一些劇烈的天體活動(dòng)可能導(dǎo)致時(shí)空本身產(chǎn)生振蕩，這種振蕩會(huì)以波的形式通過(guò)時(shí)空本身以光速傳播，這就是廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的引力波。

愛(ài)因斯坦本人一開(kāi)始并不相信引力波的存在，當(dāng)他后來(lái)開(kāi)始相信引力波確實(shí)可能存在，又因?yàn)檫@種時(shí)空的振蕩在地球上可能造成的效果太過(guò)微小而預(yù)測(cè)人類(lèi)可能永遠(yuǎn)都無(wú)法直接探測(cè)到引力波。盡管對(duì)于引力波的直接探測(cè)非常困難，但天文學(xué)家們首先通過(guò)宇宙觀測(cè)間接探測(cè)到了引力波的存在。1974年，美國(guó)天文學(xué)家約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）與他的學(xué)生拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)脈沖雙星系統(tǒng)PSR 1913+16，這兩顆相互圍繞運(yùn)轉(zhuǎn)的中子星的公轉(zhuǎn)周期不斷變小，說(shuō)明這個(gè)雙星系統(tǒng)正在損失能量。根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，這個(gè)系統(tǒng)所損失的能量正是以引力波的形式輻射出去，并且觀測(cè)數(shù)值與計(jì)算相符，這是人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)引力波存在的間接證據(jù)。這對(duì)師徒也因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

發(fā)現(xiàn)引力波存在的間接證據(jù)是一回事，在地球上直接探測(cè)引力波則是另外一回事，兩者的難度完全不同。人類(lèi)嘗試在地球上直接探測(cè)引力波的努力可以追溯到20世紀(jì)五六十年代，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)教授約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）懸掛了多個(gè)高2米、直徑1米的圓柱形鋁塊作為引力波探測(cè)器。韋伯相信，當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)這個(gè)探測(cè)器時(shí)，會(huì)使鋁塊產(chǎn)生百萬(wàn)分之一納米的形變，有可能引發(fā)鋁塊產(chǎn)生出可以被探測(cè)到的電信號(hào)。韋伯幾次聲稱(chēng)他通過(guò)這種引力波探測(cè)器探測(cè)到了引力波信號(hào)，但是因?yàn)闆](méi)有其他人能夠重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)結(jié)果始終沒(méi)有得到科學(xué)界的承認(rèn)。

人類(lèi)對(duì)于引力波更加精密的探測(cè)始于激光干涉技術(shù)。萊納·魏斯早在20世紀(jì)70年代就相信人類(lèi)有可能通過(guò)精密的激光干涉技術(shù)在地球上探測(cè)到引力波，他也曾經(jīng)親自設(shè)計(jì)過(guò)激光干涉引力波探測(cè)器。幾乎與此同時(shí)，基普·索恩和已經(jīng)于2017年3月去世的英國(guó)物理學(xué)家羅納德·德雷弗（Ronald Drever）也在設(shè)計(jì)類(lèi)似的引力波探測(cè)裝置。1999年，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)投資建造的兩個(gè)巨型激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）完工，這兩個(gè)形狀相同的各有一對(duì)相互垂直的長(zhǎng)達(dá)4公里的懸臂的巨型引力波探測(cè)裝置簡(jiǎn)稱(chēng)LIGO，彼此相隔3000公里，從2002年起開(kāi)始進(jìn)行引力波探測(cè)工作，有來(lái)自20多個(gè)國(guó)家的超過(guò)1000名科學(xué)家在這里工作。

從2002到2010年的引力波探測(cè)期間，LIGO并沒(méi)有獲得任何引力波的信號(hào)。科學(xué)家們并沒(méi)有放棄，他們改造了LIGO，大幅提高了探測(cè)器的精度，LIGO也改名為“先進(jìn)激光干涉引力波天文臺(tái)”（aLIGO）。人類(lèi)用這樣的龐然大物，探測(cè)著宇宙時(shí)空不到一個(gè)質(zhì)子寬度的變化，這不僅展示了人類(lèi)在物理學(xué)領(lǐng)域的輝煌成就，也是工程學(xué)上了不起的奇跡。

美國(guó)加州理工學(xué)院的基普·索恩

通過(guò)靈敏度更高的探測(cè)手段，科學(xué)家們終于在2015年9月第一次接收到來(lái)自宇宙深處的引力波信號(hào)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的數(shù)據(jù)分析，aLIGO的科學(xué)家們相信這個(gè)信號(hào)是距離地球13億光年之外，兩個(gè)中等質(zhì)量的黑洞發(fā)生碰撞時(shí)所釋放的引力波。引力波的強(qiáng)度雖然極其微弱，但是其頻率恰好在人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)范圍以?xún)?nèi)，所以人們可以把引力波信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)播放，這樣可以獲得對(duì)于引力波這種宇宙時(shí)空的漣漪更為直觀的印象。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果探測(cè)宇宙中的電磁波和高能粒子相當(dāng)于人類(lèi)望向宇宙的目光，那么在地球上的引力波探測(cè)器就相當(dāng)于人類(lèi)的耳朵，聆聽(tīng)來(lái)自宇宙深處細(xì)微的聲音。只有通過(guò)不同的感官相互協(xié)作，人類(lèi)才有可能真正地了解宇宙。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)只能授予個(gè)人而非某個(gè)集體或組織。引力波探測(cè)屬于耗時(shí)耗資巨大、多人協(xié)作才得以完成的一項(xiàng)大科學(xué)研究。只有在21世紀(jì)的高精度工程建設(shè)、緊密的國(guó)際合作等各種條件支持下，人類(lèi)才有可能完成aLIGO引力波探測(cè)這樣復(fù)雜的科學(xué)項(xiàng)目。諾貝爾委員會(huì)想要從中選出三位具有代表性的科學(xué)家領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)并非易事。萊納·魏斯與基普·索恩是最早意識(shí)到人類(lèi)有可能直接探測(cè)到引力波的物理學(xué)家，他們從20世紀(jì)70年代開(kāi)始就積極地設(shè)計(jì)建造各種引力波探測(cè)天線，盡管經(jīng)歷了數(shù)十年的失敗卻始終沒(méi)有放棄;巴里·巴里什從1994年起擔(dān)任LIGO的主任，他把一個(gè)只有40人的研究小組轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)有上千人參與的國(guó)際合作項(xiàng)目，也正是他提出了提高天文臺(tái)探測(cè)精度的“aLIGO計(jì)劃”，使得探測(cè)到引力波信號(hào)成為現(xiàn)實(shí)。

這三位物理學(xué)家贏得物理學(xué)界的最高榮譽(yù)實(shí)至名歸，但完成引力波探測(cè)而最終被人們銘記的，除了這幾位獲獎(jiǎng)?wù)咧?，還應(yīng)包括所有在aLIGO工作的科學(xué)家們。引力波探測(cè)算得上是人類(lèi)對(duì)于已經(jīng)有上百年歷史的廣義相對(duì)論的最終驗(yàn)證，這不是一個(gè)結(jié)束，而是一個(gè)開(kāi)始。隨著越來(lái)越多的引力波信號(hào)被探測(cè)到，引力波天文學(xué)正在成為現(xiàn)實(shí)。人類(lèi)正在地面上或是在太空中建設(shè)更多的引力波探測(cè)裝置，傾聽(tīng)來(lái)自宇宙深處的聲音。宇宙那一層神秘的面紗正在被徐徐揭開(kāi)。endprint

熱門(mén)人選

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)大概是最容易預(yù)測(cè)的諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)之一，而在2017年由三位致力于引力波探測(cè)的科學(xué)家獲得此獎(jiǎng)項(xiàng)也可以說(shuō)是毫無(wú)懸念。根據(jù)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的評(píng)獎(jiǎng)標(biāo)準(zhǔn)，此獎(jiǎng)是頒給科學(xué)家的某一項(xiàng)成就，而非其終生成就，因此一些對(duì)于物理學(xué)有重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家也會(huì)與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂，例如美國(guó)著名物理學(xué)家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）一生成就斐然，門(mén)下更是出了理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）和基普·索恩（Kip Thorne）兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，可他本人卻從未獲得過(guò)這項(xiàng)榮譽(yù)。而愛(ài)因斯坦因?yàn)槠湎鄬?duì)不重要的一項(xiàng)工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也是人們多年來(lái)爭(zhēng)論的話題。

每一年諾貝爾獎(jiǎng)揭曉之前，湯森路透公司（Thomson Reuters Corporation）都會(huì)根據(jù)科學(xué)家的論文引用數(shù)量做出各個(gè)領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)的預(yù)測(cè)，其準(zhǔn)確率也相當(dāng)高。它從2002年到2016年間預(yù)測(cè)的278人中已經(jīng)有43人獲得諾貝爾獎(jiǎng)。雖然2017年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予引力波探測(cè)屬于眾望所歸，但根據(jù)湯森路透的預(yù)測(cè)，也有其他幾組科學(xué)家是這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的熱門(mén)人選。雖然今年與之失之交臂，或許在未來(lái)的幾年里仍有機(jī)會(huì)獲得這項(xiàng)榮譽(yù)。

左圖：美國(guó)麻省理工學(xué)院的萊納·魏斯 右圖：美國(guó)加州理工學(xué)院的巴里·巴里什

希臘化學(xué)物理學(xué)家，美國(guó)IBM公司研究員費(fèi)頓·艾文瑞斯（Phaedon Avouris）;科內(nèi)里斯·德克（Cornelis Dekker）荷蘭代爾夫特科技大學(xué)卡弗里納米科學(xué)研究所（Kavli Institute of Nanoscience）所長(zhǎng);保羅·麥克尤恩（Paul McEuen）康奈爾大學(xué)教授三人在碳基電子學(xué)（carbon-based electronics）領(lǐng)域做出了開(kāi)創(chuàng)性的研究。

美國(guó)洛克菲勒大學(xué)教授米切爾·費(fèi)根寶鮑姆（Mitchell J. Feigenbaum），在非線性和混沌物理系統(tǒng)做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作。

俄國(guó)物理學(xué)家拉希德·蘇尼亞耶夫（Rashid A. Sunyaev）在人類(lèi)理解宇宙的起源、星系的演化過(guò)程、黑洞吸積盤(pán)以及其他方面做出了重要貢獻(xiàn)。endprint