完成相對論最後一塊拼圖!2017 年諾貝爾物理獎:證實重力波存在,愛因斯坦百年預言成真

 

【我們為什麼挑選這篇文章】在愛因斯坦的廣義相對論中,愛因斯坦場方程式描述了重力是由物質和能量所產生的時空彎曲所造成。而目前 重力波的發現成功替愛因斯坦百年前的廣義相對論補上最後一塊關鍵拼圖。 由於重力波的發現代表著找到物質與時空的連結,會讓人類的時空觀有前所未有的 巨變 ,進而使「時空之旅」的研究變得可能。是科學史上非常驚人的重大突破!(責任編輯:劉庭瑋)

10 月 3 日,瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布將 2017 年度諾貝爾物理學獎授予美國麻省理工學院教授雷納·韋斯(Rainer Weiss)、加州理工學院教授基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Ba​​rish),以表彰他們構思和設計了雷射干涉儀重力波天文台 LIGO,並對直接探測重力波做出傑出貢獻。

2016 年 2 月 11 日,美國加州理工學院、麻省理工學院以及 LIGO 的研究人員宣布,他們在 2015 年 9 月 14 日探測到來自於兩個黑洞合併的重力波信號。

LIGO 官網信息顯示,首次探測到的重力波是由兩個黑洞合併引發的。這兩個黑洞的直徑都在 150 公里左右,它們不斷靠近,旋轉,並最終合併成一個黑洞。兩個黑洞一個達到太陽質量的 29 倍,一個為太陽質量的 36 倍。據推測,兩個黑洞的合併發生在 13 億年前,合併過程中產生的重力波經漫長的傳播最終抵達地球。

公佈首次探測結果後,LIGO 就成為了眾望所歸的諾獎最大熱門。然而,2016 年諾貝爾獎提名的截止時間是 1 月 31 日。外界普遍猜測,諾獎可能推遲到 2017 年才會花落 LIGO。今天的獲獎結果也顯示重力波獲獎毫無懸念。

截至目前,LIGO 已成功探測到 4 次重力波事件。最近的一次就發生在 5 天前。

重力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。按照廣義相對論計算,雙星互相繞轉發出引力輻射,它們的軌道周期就會因此而變短。

對重力波的探測不僅可以進一步驗證廣義相對論的正確性,而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景:茫茫宇宙,只要有物質,就有重力輻射。

三位獲獎人簡介

雷納·韋斯(Rainer Weiss),1932 年 9 月 29 日在德國柏林出生,現年 85 歲。雷納·韋斯發明的雷射干涉重力波探測器是 LIGO 裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要噪聲來源,並領導了 LIGO 儀器科學的研究,最終使 LIGO 達到了足夠的靈敏度。

基普·索恩(Kip Stephen Thorne),1940 年 6 月 1 日出生在美國猶他州的洛根市,現年 77 歲。基普·索恩奠定了重力波探測的理論基礎,他開創了重力波波形計算以及數據分析的研究方向,並對 LIGO 儀器科學做出了重要貢獻,特別是提出了量子計量學理論的一系列基本概念。

巴里·巴里什(Barry Clark Ba​​rish),出生在內布拉斯加州的奧馬哈,現年 81 歲。巴里·巴里什領導了 LIGO 建設及初期運行,建立了 LIGO 國際科學合作,他把 LIGO 從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學,最終使重力波探測成為可能。

印證愛因斯坦百年預言

時間和空間會在質量面前彎曲,時空在伸展和壓縮的過程中,會產生振動傳播開來,這些振動就是重力波。

早在 1915 年,愛因斯坦在廣義相對論的基礎上提出了重力波的存在,並預言強重力場事件可產生重力波,比如黑洞合併、脈衝星自轉以及超新星爆發等。

我們在地球上隨時隨地都可能遭遇來自宇宙中各種源頭的重力波:兩個黑洞合併、中子星自轉、超新星坍縮等。

然而,即使是像黑洞這樣巨大質量的系統相互碰撞、合併,產生的重力波信號傳遞到地球上也是很微弱的。就連愛因斯坦本人也想像不到,能通過怎樣的方法探測到重力波。

過去近百年中,廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星的近日點進動以及重力紅移效應都已獲證實,唯有原初重力波因信號極其微弱,技術上很難測量,而一直徘徊在天文學家「視線」之外。

歷史上,曾有過幾次科學家宣布發現重力波,而後被證實是「烏龍消息」。1959 年,美國馬里蘭大學教授 J·韋伯發表了證實重力波存在的消息,韋伯首創用鋁棒做「天線」,接收天體輻射的重力波的方法。當時參加研究的十幾個小組只有 J·韋伯宣布接收到了可能是來自其他天體的重力波信號。其後不斷有人重複這個實驗,但終未得到肯定的結果,所以人們只能對此報以嘆息。

2014 年 3 月 18 日,天文學家們宣布探測到了原初重力波,這是 138 億年前創造宇宙的大爆炸中產生的痕跡。然而 2015 年 1 月 29 日,BICEP2 觀測站宣布他們去年 3 月觀測到重力波的已被證實來自宇宙的塵粒,而非原初重力波。

為「捕獲」重力波,美國國家自然科學基金會於上世紀 90 年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個激光干涉重力波天文台 (LIGO)。在利文斯頓的干涉儀有一對封閉在 1.2 米直徑的真空管中的 4 公里長的臂,而在漢福的干涉儀則稍小,只有一對 2 公里長的臂。

這二套 LIGO 干涉儀在一起工作構成一個觀測所。這是因為雷射強度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來像重力波信號,如果是此類干擾信號,其記錄將只出現在一台干涉儀中,而真正的重力波信號則會被兩台干涉儀同時記錄。

所以,科學家可以對二個地點所記錄的數據進行比較得知哪個信號是噪聲。來自加州理工學院、麻省理工學院等 90 多所高校的 1000 多名科學家參與 LIGO 的日常探測和研究。

LIGO 的創始者之一、麻省理工學院物理學教授雷納·維斯說,「重力波的發現漂亮地印證了愛因斯坦在 100 年前的預言。如果我們有機會告訴他這件事,我真想看看他臉上的表情。」

佐證宇宙暴漲理論

在哥倫比亞大學物理學教授紹博爾齊·馬爾卡看來, 人類此前的天文學發現都好似「眼睛」,而重力波的發現意味著人類長了「耳朵」。他表示,重力波攜帶大量訊息,它的發現可幫助科學家更好地了解黑洞。

在天文學幾百年來的發展過程中, 人們觀測宇宙的主要手段是觀測光,也就是說幾乎所有天文實驗都是在收集光子。而根據標準宇宙大爆炸理論,大爆炸之後約40萬年,光子、電子及其他粒子混在一起,宇宙處於晦暗的迷霧狀態,光無法穿透。

而重力波則不同,它誕生在宇宙大爆炸之初並以光速傳播。從事重力波研究多年的美國亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯認為,重力波被測量到,意味著人們可以通過重力波而一直追溯到大爆炸之後的極早時期,同時重力波也可以作為另一種觀測宇宙的手段。重力波天文學這門新學科的大門也由此打開。

學界普遍認為,重力波的發現是物理學和天文學的一項重大突破。它開啟了人類探索宇宙的一扇大門,甚至可能揭開宇宙誕生早期的奧秘。

根據上世紀80年代逐漸發展起來的暴漲理論,140 億年前,在大爆炸之後不到 10 的負 35 方秒的時間裡,宇宙以指數速度急劇膨脹,即所謂「暴漲過程」。原初重力波忠實記錄了暴漲時期的物理過程。

(本文經合作夥伴  虎嗅網    授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈2017 諾貝爾物理學獎花落引力波,它驗證了愛因斯坦百年預言,為人類探索宇宙配上“耳朵”〉。)

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