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众望所归!2017 诺贝尔物理学奖给了引力波发现者

2017-10-04 02:17     教育     来自:留学观察者

没有意外,2017 诺贝尔物理学奖给了引力波发现者。

北京时间10月3日17点45分,2017年诺贝尔物理学奖揭晓,瑞典皇家科学院宣布将 2017 年度诺贝尔物理学奖授予美国的 Rainer Weiss、Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish,用以表彰他们在引力波研究方面的贡献。 奖金的一半给了 Rainer Weiss,另一半由 Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish 分享。


Rainer Weiss


美国理论物理学者,1932 年 9 月 29 日在德国柏林出生,因在引力物理学与天文物理学的贡献而知名于学术界,是麻省理工学院物理学荣誉教授。在他学术生涯中最重要的成就为发展出激光干涉术,其为激光干涉引力波天文台(LIGO)的关键技术。


Kip S. Thorne


美国理论物理学家,1940 年 6 月 1 日出生在美国犹他州的洛根市。1965年从美国普林斯顿大学获得博士学位。现为美国加州理工学院理论物理学教授。研究领域主要是在相对论性天体物理学和引力物理学,其中比较着重于相对论性星体和黑洞方面的论题,特别是关于引力波的论题。


Barry C. Barish


1936 年生于美国东北奥马哈市,1962年从美国加州大学伯克利分校获得博士学位。现为美国加州理工学院物理学教授。领导了 LIGO 建设及初期运行,建立了 LIGO 国际科学合作,他把 LIGO 从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学,最终使引力波探测成为可能。


LIGO 是一个由二十多个国家的一千多名研究人员合作的项目,他们一起实现了近五十年来的愿景。评委会认为,2017 年诺贝尔物理学奖得主的热情和决心对 LIGO 的成功是无价的,他们一起经过数十年的努力,最终发现了引力波。


差点被爱因斯坦亲自否认的引力波


在 20 世纪早期,爱因斯坦提出了广义相对论理论,解决了在牛顿的理论体系下一些无法解释的问题,并基于该理论提出了一些看上去很怪异的预测,比如说星光弯曲、黑洞的存在、大爆炸以及引力波。


引力被认为是时空弯曲的一种效应,这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言,在一个给定的体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候,曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下,加速物体能够对这个曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播。


关于引力波最形象的描述可能就是「时空涟漪」了。宇宙中,两个质量极大的物质(比如黑洞)相互高速地环绕,会让周围的时空产生一阵阵的「涟漪」。就像在平静的水面丢下一个小石块,水面会有一圈圈的波纹向外扩散,这时候水面就是时空,水的波纹就是引力波。


两个互相吸引的黑洞-示意图



开启面向宇宙的新窗户


如果可以找到引力波,可以再一次验证爱因斯坦广义相对论的正确性,但问题是引力波太微弱了,可以产生巨大引力波的中子星、黑洞距离我们非常非常遥远,引力波的直接探测极其困难。


直到 2016 年 2 月 11 日,LIGO 科学合作组织宣布,他们于几个月前成功探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。这是过去一年里科学界最重大的突破之一,引力波的发现标志着人类在太空探索的路途上迈出了里程碑式的一步。


LIGO 位于华盛顿州汉福德的探测器


LIGO 是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台,在美国华盛顿州的汉福德(Hanford)与路易斯安那州的利文斯顿(Livingston),分别建有激光干涉探测器。它由美国国家科学基金会(NSF)资助,加州理工学院与麻省理工学院的物理学者 Kip S. Thorne、Ronald W. P. Drever 和 Rainer Weiss 领导创建。



通过控制这两个互相垂直干涉臂的长度,这两束激光是可以互相抵掉的,这时候输出端口上就无法读到光信号。当有引力波通过,会引起时空变形,一个臂的长度会变长,另一个臂的长度变短,从而造成光程差,激光干涉条纹会因此发生变化。


LIGO 用的激光干涉仪在减震、光源、数据处理上做了大量的改进,让其使用的设备拥有远超之前探测设备的精度。2015 年 9 月 14 日,引力波穿过地球,它首先通过了路易斯安那的引力波探测器,7 毫秒之后通过了 3000 公里外的华盛顿探测器。


汉福德观测台控制室


经过严谨的数据分析后,LIGO 得出,这次探测到的引力波是两个黑洞在互相融合期间释放出的,这次的融合发生在 13 亿年前,之后它们发出的引力波就开始向着包括地球在内的宇宙各个地方进行传播。


资料及图片来源:维基百科、诺贝尔奖官网等


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