傾聽宇宙的聲音

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)獎授予三位在引力波探測中做出杰出貢獻的科學(xué)家：來自麻省理工學(xué)院的萊納·魏斯（Rainer Weiss）將獲得二分之一獎金，來自加州理工學(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金。

近些年來，本屆諾貝爾物理學(xué)獎的歸屬算得上是最沒有懸念，也最為眾望所歸的一次。這關(guān)系到人類對于廣義相對論一百多年來的不懈驗證，以及對于宇宙時空中所產(chǎn)生的極其細微的波瀾長達數(shù)十年的探索。

人類能夠把整個宇宙作為一個對象來研究，起源于1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論。隨著對廣義相對論的認(rèn)識逐漸深入，人類也逐漸開始理解整個宇宙的時空和物質(zhì)之間相互作用要受到一套基本原則的約束。另一方面，通過推導(dǎo)和求解廣義相對論的方程，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可能導(dǎo)致時空本身產(chǎn)生振蕩，這種振蕩會以波的形式通過時空本身以光速傳播，這就是廣義相對論所預(yù)測的引力波。

愛因斯坦本人一開始并不相信引力波的存在，當(dāng)他后來開始相信引力波確實可能存在，又因為這種時空的振蕩在地球上可能造成的效果太過微小而預(yù)測人類可能永遠都無法直接探測到引力波。盡管對于引力波的直接探測非常困難，但天文學(xué)家們首先通過宇宙觀測間接探測到了引力波的存在。1974年，美國天文學(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)了一個脈沖雙星系統(tǒng)PSR 1913+16，這兩顆相互圍繞運轉(zhuǎn)的中子星的公轉(zhuǎn)周期不斷變小，說明這個雙星系統(tǒng)正在損失能量。根據(jù)廣義相對論的預(yù)測，這個系統(tǒng)所損失的能量正是以引力波的形式輻射出去，并且觀測數(shù)值與計算相符，這是人類第一次發(fā)現(xiàn)引力波存在的間接證據(jù)。這對師徒也因為這個發(fā)現(xiàn)獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

發(fā)現(xiàn)引力波存在的間接證據(jù)是一回事，在地球上直接探測引力波則是另外一回事，兩者的難度完全不同。人類嘗試在地球上直接探測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）懸掛了多個高2米、直徑1米的圓柱形鋁塊作為引力波探測器。韋伯相信，當(dāng)引力波經(jīng)過這個探測器時，會使鋁塊產(chǎn)生百萬分之一納米的形變，有可能引發(fā)鋁塊產(chǎn)生出可以被探測到的電信號。韋伯幾次聲稱他通過這種引力波探測器探測到了引力波信號，但是因為沒有其他人能夠重復(fù)他的實驗結(jié)果，這個結(jié)果始終沒有得到科學(xué)界的承認(rèn)。

人類對于引力波更加精密的探測始于激光干涉技術(shù)。萊納·魏斯早在20世紀(jì)70年代就相信人類有可能通過精密的激光干涉技術(shù)在地球上探測到引力波，他也曾經(jīng)親自設(shè)計過激光干涉引力波探測器。幾乎與此同時，基普·索恩和已經(jīng)于2017年3月去世的英國物理學(xué)家羅納德·德雷弗（Ronald Drever）也在設(shè)計類似的引力波探測裝置。1999年，由美國國家科學(xué)基金會投資建造的兩個巨型激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）完工，這兩個形狀相同的各有一對相互垂直的長達4公里的懸臂的巨型引力波探測裝置簡稱LIGO，彼此相隔3000公里，從2002年起開始進行引力波探測工作，有來自20多個國家的超過1000名科學(xué)家在這里工作。

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

美國加州理工學(xué)院的基普·索恩

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

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

這三位物理學(xué)家贏得物理學(xué)界的最高榮譽實至名歸，但完成引力波探測而最終被人們銘記的，除了這幾位獲獎?wù)咧?，還應(yīng)包括所有在aLIGO工作的科學(xué)家們。引力波探測算得上是人類對于已經(jīng)有上百年歷史的廣義相對論的最終驗證，這不是一個結(jié)束，而是一個開始。隨著越來越多的引力波信號被探測到，引力波天文學(xué)正在成為現(xiàn)實。人類正在地面上或是在太空中建設(shè)更多的引力波探測裝置，傾聽來自宇宙深處的聲音。宇宙那一層神秘的面紗正在被徐徐揭開。endprint

熱門人選

諾貝爾物理學(xué)獎大概是最容易預(yù)測的諾貝爾獎項之一，而在2017年由三位致力于引力波探測的科學(xué)家獲得此獎項也可以說是毫無懸念。根據(jù)諾貝爾物理學(xué)獎的評獎標(biāo)準(zhǔn)，此獎是頒給科學(xué)家的某一項成就，而非其終生成就，因此一些對于物理學(xué)有重大貢獻的科學(xué)家也會與諾貝爾獎失之交臂，例如美國著名物理學(xué)家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）一生成就斐然，門下更是出了理查德·費曼（Richard Feynman）和基普·索恩（Kip Thorne）兩位諾貝爾物理學(xué)獎得主，可他本人卻從未獲得過這項榮譽。而愛因斯坦因為其相對不重要的一項工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎也是人們多年來爭論的話題。

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

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

希臘化學(xué)物理學(xué)家，美國IBM公司研究員費頓·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;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)域做出了開創(chuàng)性的研究。

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

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