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众望所归:2017年诺贝尔物理学奖归属“发现引力波”的LIGO三科学家

10月3日,2017年诺贝尔物理学奖揭晓,LIGO三位重量级科学家因“发现引力波”获得2017诺贝尔物理学奖,他们是Rainer Weiss教授、Barry C. Barish教授和Kip S. Thorne教授。

Rainer Weiss教授(左)、Barry C. Barish教授(中)和Kip S. Thorne教授(右)


Rainer Weiss,1932年出生于德国柏林。早年迁居美国,1962年他在麻省理工学院获得博士学位。1962至1964年,他在普林斯顿大学进行博士后研究,随后加入麻省理工学院任教。


Barry C. Barish,1936年出生于美国内布拉斯加州的奥马哈。1962年他在加州大学伯克利分校获得博士学位。1963年他加入加州理工学院任教。


Kip S. Thorne,1940年出生于美国犹他州的洛根市。1965年他在普林斯顿大学获得博士学位。1967年他进入加州理工学院任教。


什么是引力波?


引力波源自100年前阿尔伯特•爱因斯坦在广义相对论中的一个预测。在物理学中,引力波是指时空弯曲中的“涟漪”,通过波的形式从波源向外传播。重力波以光速传播,充满了宇宙。预言引力波,爱因斯坦可能只用了几天,但发现引力波,科学家们用了数十年。


对于非专业人士(包括笔者)来说,引力波的概念不太容易理解,可以参考下文(风格比较清奇,请诸君本着包容的心态阅读):


《Stone小知识》--引力波就是你俩还没开打,杀气就喷了我一脸


什么是LIGO?


LIGO是“激光干涉引力波天文台(laser interferometer gravitational wave observatory)”的缩写,是借助于激光干涉仪来检测来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。截至目前,LIGO由两个干涉仪组成,每一个都带有两个4千米长的臂并组成L型,它们分别位于相距3000千米的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford(下图)。

LIGO探测器


同时,还有另外一座与LIGO十分类似但由欧洲建设和运行的引力波探测设施——VIRGO。


除了获奖的三位科学家,LIGO的创始人之一Ronald W. P. Drever教授也应该被世人铭记,可惜的是Drever教授已经于今年3月去世,与诺奖失之交臂。

Ronald W. P. Drever教授


另外,LIGO合作项目实际上还涉及二十多个国家的一千多名研究者,其中包括不少中国科学家。


LIGO如何探测引力波?


简单点说,一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进(联想一下LIGO两个垂直的长臂),前进方向上在完全相同的距离处各设置有一面反射镜,两束激光被反射回来重新汇聚,正常情况下重新汇聚后的激光由于干涉而相互抵消。而一旦引力波扫过,时空弯曲而发生畸变,激光走过的距离就不完全相同了,干涉现象也会发生改变,从而观测到引力波。

LIGO探测引力波原理示意图


说起来容易,但实际上观测难度很大。引力波的振幅很小(2015年第一次观测到的引力波振幅是10-21),就算是LIGO的4千米长臂,再加上400次的反射得到的1600千米激光光路,变化幅度才大约与质子的半径是一个量级。


为什么发现引力波如此重要?


发现引力波,探测引力波的物理性质,一方面能完整验证广义相对论,另一方面,引力波携带着波源的信息,可以被用作工具探测人类目前还无法涉足的宇宙深处。更重要的,引力波几乎不衰减,这就有可能帮助人类了解整个宇宙的起源,科学家就有希望找到证据来支持(或者反驳)“大爆炸理论”以及“宇宙膨胀理论”等。


除了今年获得诺奖,引力波的发现也名列Science评选的“2016年度科技突破”首位(点击阅读相关)。


注:以上内容编译自诺贝尔奖官方网站,图片等内容版权归属于Nobelprize.org


https://www.nobelprize.org/


相关阅读:2017年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,发现控制“昼夜节律”分子机制的三位美国科学家获奖


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