本刊資料室

科學(xué)前沿

引力波的直接探測(cè)
——2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

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1 2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉

2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，美國(guó)的雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)以及巴里·巴里什(Barry Clark Barish)因直接探測(cè)到了引力波而獲獎(jiǎng)．

2016年2月12日，激光干涉引力波天文臺(tái)(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)合作組宣布，他們于2015年9月14日探測(cè)到了引力波，它來(lái)自一個(gè)質(zhì)量為36倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞與一個(gè)29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的碰撞，然后并合為一個(gè)62倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，失去的3倍太陽(yáng)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波的能量．2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先后3次探測(cè)到黑洞合并產(chǎn)生的引力波．

2 獲獎(jiǎng)人簡(jiǎn)介

圖1 雷納·韋斯

雷納·韋斯(Rainer Weiss，圖1)，1932年在德國(guó)柏林出生，現(xiàn)年85歲．為了躲避政治動(dòng)蕩，一家在1932年末搬家到布拉格，后在1938年搬家到美國(guó)．他年輕時(shí)在紐約市度過(guò)，曾就讀于哥倫比亞文法學(xué)校．他在1955年獲得麻省理工學(xué)士學(xué)位和1962年獲得麻省理工學(xué)院博士學(xué)位．他于1960至1962年執(zhí)教于美國(guó)塔夫斯大學(xué)，1962至1964年是普林斯頓大學(xué)的博士后學(xué)者，后于1964年加入麻省理工任教．

圖2 基普·索恩

基普·索恩(Kip Stephen Thorne，圖2)，1940年出生在美國(guó)猶他州的洛根市，現(xiàn)年77歲．父親維恩·索恩是農(nóng)藝學(xué)專家，母親艾莉森·索恩是經(jīng)濟(jì)學(xué)家．索恩早年在學(xué)術(shù)道路上順風(fēng)順?biāo)?，成為了加州理工歷史上最年輕的正教授之一．他于1962年獲得加州理工的學(xué)士學(xué)位，在1965年獲得普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)位．1967年索恩回到加州理工被聘任為副教授，3年后晉升為理論物理的教授．

圖3 巴里·巴里什

巴里·巴里什(Barry Clark Barish，圖3)，1936年出生在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州的奧馬哈，現(xiàn)年81歲．他在南加州長(zhǎng)大，高中就讀于洛杉磯．1957年獲得物理學(xué)學(xué)士，1962年獲得加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)高能物理的博士學(xué)位．1963年他加入加州理工．巴里什在美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)批準(zhǔn)資助該項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用，并對(duì)LIGO的建造和交付使用發(fā)揮了重要作用．

3 引力波存在的間接驗(yàn)證

1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，并在隨后的幾年預(yù)言引力波的存在，但因?yàn)橐Σ▊鞑サ降厍驎r(shí)太微弱了，在預(yù)言的60年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無(wú)數(shù)努力，但都失敗了．直到1974年才得到引力波存在的間接實(shí)驗(yàn)證據(jù).

1974 年物理學(xué)家約瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞爾·赫爾斯(Russell Alan Hulse)發(fā)現(xiàn)了一顆編號(hào)為PSR B1913+16的脈沖星，他們發(fā)現(xiàn)該脈沖星處于雙星系統(tǒng)中,其伴星也是一顆中子星,如圖4所示．根據(jù)廣義相對(duì)論，該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5 μs，軌道半長(zhǎng)軸每年減少3.5 m，預(yù)計(jì)大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并．自1974年，泰勒和赫爾斯對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，觀測(cè)值和廣義相對(duì)論預(yù)言的數(shù)值符合得非常好，這間接證明了引力波的存在．泰勒和赫爾斯也因這項(xiàng)工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

圖4 發(fā)射引力波的雙星系統(tǒng)

4 引力波的直接探測(cè)

美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2016年2月11日上午10點(diǎn)30分，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)召集了來(lái)自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家在華盛頓特區(qū)國(guó)家媒體中心宣布：人類首次直接探測(cè)到了引力波！

這次探測(cè)到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的，如圖5所示．

圖5 發(fā)射引力波的兩顆黑洞

兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29倍太陽(yáng)和36倍太陽(yáng)，合并成了一顆62倍太陽(yáng)質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過(guò)13億年的漫長(zhǎng)旅行，終于抵達(dá)了地球，被美國(guó)的“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)的兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器探測(cè)到．

“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO，圖6)的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長(zhǎng)均為4 000 m．在兩臂交會(huì)處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點(diǎn)，并在那里發(fā)生干涉．若有引力波通過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，一臂的長(zhǎng)度會(huì)略為變長(zhǎng),而另一臂的長(zhǎng)度則略為縮短，這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化．

圖6 發(fā)現(xiàn)引力波的激光干涉天文臺(tái)

兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3 000 km．只有當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才有可能是引力波．LIGO于1999年初步建成，2002年開(kāi)始運(yùn)行．

2007年，LIGO進(jìn)行了一次升級(jí)改造，包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等．升級(jí)后的LIGO被稱為“增強(qiáng)LIGO”．2009年7月，增強(qiáng)LIGO開(kāi)始運(yùn)行直到2010年10月結(jié)束．

在2002年到2010年期間，LIGO沒(méi)能探測(cè)到引力波存在的可靠證據(jù)．

2010年，LIGO進(jìn)行了為期5年的重大升級(jí)改造，改造之后的探測(cè)器靈敏度要求提高10倍，被稱為“先進(jìn)LIGO”．2015年9月18日，先進(jìn)LIGO開(kāi)始試運(yùn)行．第一次探測(cè)到的引力波是LIGO于2015年9月14日探測(cè)到的．以后的3次則是用“先進(jìn)LIGO” 探測(cè)到的．