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为什么今年物理诺奖毫无悬念?|复旦大学施郁解读

 
撰文|施晓郁(复旦大学物理学系教授)
责编|李晓明
 
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2017年诺贝尔物理学奖授予了“为激光干涉引力波天文台(LIGO)以及引力波的观测做出决定性贡献”的科学家[1]。这与包括笔者在内的很多人的期望一致。
 
奖金的一半授予麻省理工学院雷纳·韦斯(Rainer Weiss),另一半由加州理工学院巴里•巴里什(Barry Clark Barish)和基普·索恩(Kip Thorne)分享。
 
为什么这个去年宣布的研究工作立即获得诺贝尔奖的承认?可以说是毫无悬念?
 
带来诺贝尔奖的引力波
 
13亿年前,宇宙中有两个黑洞相互碰撞,而且并合成一个大黑洞,发出引力波。这就好像一个石子扔到水中,涟漪向四周扩散。
 
引力波以光速向四周传播,这是宇宙中最快的速度。经过13亿年在各个方向的长途跋涉,这个引力波于2015年9月14日穿过诞生于45亿年前的地球。
 
在地球上,人类的演化历史,也只不过200多万年。仅仅在100年前的1916年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)预言宇宙中存在引力波。
 
上世纪70年代,科学家开始发展探测引力波的技术。2002年,LIGO开始工作。而在这个引力波到达两天前,升级后的LIGO刚开始测试性工作,9月14日恰好捕捉到它,这是人类第一次直接探测到引力波。根据日期,这个引力波代号为GW150914。
 
引力波与相对论
  
引力波超越了牛顿引力理论。三百多年前,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)说,任何两个有质量的物体之间存在万有引力,而且这个引力是瞬时的,也就说,物体之间引力的传递不需要时间。牛顿解释了为什么地球围绕太阳转,为什么树上的苹果会落地。牛顿力学代表了绝对时间和绝对空间的观点,时间和空间独立,与物质无关,只是万物的舞台。莱布尼兹、柏克莱主教,或许乃至牛顿本人,觉察到瞬时作用的缺点,但是由于时代局限性,当时只能如此。
 
而爱因斯坦1905年创立的狭义相对论指出,任何信号的传递不可能超过光速,时间和空间成为整体,称为时空。在相互匀速运动的不同观察者看来,同一事件的时间坐标和空间坐标都不一样,但是总的时空间隔保持不变。
 
十年之后,爱因斯坦又将引力纳入相对论的框架,创立广义相对论,指出万有引力就是时空的弯曲,由此影响物质的运动,物质之间的引力需要时间来传递。用索恩的导师、美国著名物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的话说,
 
“物质告诉时空如何弯曲;弯曲的时空告诉物质如何运动。”
 
这就好比在席梦思床垫上,一个物体引起床垫变形,变形向四周传递,导致另一个物体受力情况的改变,似乎受到前一个物体的吸引力。这个床垫扮演了类似时空的角色。
 
1916年,爱因斯坦根据广义相对论,预言了引力波。
 
波是振动的传播,比如水波、声波等等。顾名思义,引力波就是“引力的波”。
 
引力源质量分布的改变,导致它对其他物体引力的改变,这种改变以光速传播开来,就是引力波。
 
既然引力是时空弯曲,那么引力波也就是“时空的涟漪”,即时空弯曲情况随时间变化、在空间传播。引力波到达之处,在垂直于传播方向的平面上,任何长度都会振荡,而且在互相垂直的任意两个方向上步调相反。因为牛顿力学中没有引力波,所以引力波的观测也就验证了广义相对论。
 
通常物体间的引力很弱。但宇宙天体的质量巨大,所以它们之间的引力很大。理论表明,引力波主要来自宇宙中的超新星爆发、中子星、黑洞等致密天体以及宇宙大爆炸。超新星爆发是恒星演化到最后,在自身引力下发生塌缩引起;中子星完全由中子组成,因此密度巨大;黑洞(名字来自惠勒)是这样一个时空区域,其中引力引起的时空弯曲是如此之强,以至于光也不能逃逸;宇宙大爆炸是指宇宙起源的极早期。
 
黑洞也是广义相对论的预言,以前也没有被直接观测到,因为它的名字的意思就是它不能发出电磁波。1960年代,人们才相信黑洞的存在。
 
物理学家对引力波的困惑
 
但是引力波是不是真实存在,能不能被探测到,曾经令物理学家困惑。
 
1922年,英国天文学家爱丁顿(A. Eddington)曾幽默地说过,引力波似乎以思想的速度传播。爱丁顿是谁?1919年日食期间,他和克雷姆林在巴西和西班牙观测到远处恒星的光在太阳附近的弯曲(日食使得星光不被阳光淹没),正如广义相对论所预言。这个事件引起全世界的轰动,比如泰晤士报报道:“科学革命,宇宙新理论,牛顿理论被推翻”。正是这个事件使爱因斯坦成为家喻户晓的人物。
 
爱因斯坦本人也有过动摇。1936年,移居美国的他与助手罗森曾写过一篇关于引力波不存在的文章,投到《物理评论》,被审稿人指出错误,要求修改。爱因斯坦一怒之下,改投《富兰克林研究所学报》。但是发表时,在同事罗伯森的帮助下,文章已经修改成关于一种圆柱形引力波。2005年,人们才知道,罗伯森就是那个审稿人。
 
引力波能被探测到吗
 
引力波很难直接探测,因为最强的引力波传到地球时,导致的相对长度变化也只有0.0…01(其中小数点后面有21个0)。也幸亏如此,否则人类或许就不存在了。
 
1950年代,皮拉尼(F. Pirani)、邦迪(H. Bondi)、费曼(R. Feynman)、罗宾逊(I. Robinson) 和韦伯(Joseph Weber)等人证明,引力波携带能量,是真实的,而且可以被真实测量,比如可以让小球运动。
 
韦伯迈出实验的第一步。他使用铝圆柱,即所谓“韦伯棒”作为探测器,希望引力波引起共振,就好比用音叉测量声音。他后来还用相距1000公里的两个探测器,以排除只影响单个探测器的因素。这个思想后来被LIGO采纳。1969年韦伯声称他的两个韦伯棒发现了引力波。但是无人能重复。韦伯坚持工作到2000年去世。他的主要贡献在于开启了引力波实验。LIGO宣布发现时,特别邀请他的遗孀前排就坐。
 
韦伯只能猜测引力波的频率,而韦伯棒的频率是固定的。在笔者看来,这就像用一个渔网捕鱼,而不知道水里的鱼的尺寸是比网孔小,还是太大而进不了网。
 
1974年,拉塞尔•赫尔斯(Russel Alan Hulse)和约瑟夫•泰勒(Joseph Hooton Taylor)发现引力波导致一个中子星和与之互相环绕的伴星之间的距离越来越小,因此获1993年诺贝尔物理学奖。但是,这只是间接证明了引力波的存在。 直到2015年,引力波还没有被直接探测到。
 
LIGO的工作原理
 
与失败的韦伯棒不同,LIGO的探测原理基于激光干涉,它的可测频率有一个范围。
 
LIGO包括两个同样的探测器,它们相距3002公里,分别位于美国华盛顿州与路易斯安那州。两个探测器共同工作,可排除其他信号,比如地震。
 
每个探测器是一个巨大的迈克尔逊干涉仪,有两个互相垂直的、约4公里长的臂,构成L形。一束激光分成两束,分别进入两臂。在每个臂中,激光被两端的镜子来回反射多次。最后两束激光再叠加起来,这就是干涉。叠加(干涉)以后的光强决定于两臂长度差,所以用来测量两臂长度差。更详细的解释请参见笔者去年的一篇文章[2]。
 
引力波经过探测器时,每个臂的长度都时长时短地振荡,而且步调相反,一个臂变长时,另一个变短。所以两臂长度差也在振荡,从而激光干涉的光强也在振荡。由此就可以反推出引力波的性质。
 
LIGO的成功
 
LIGO测到,干涉仪的臂发生了0.0……04米的长度改变(小数点后面18个0)。作为人类历史上最精密的测量,这里的测量技术与量子物理相关。
 
►引力波引起的LIGO的每个干涉仪的两臂相对长度差随时间振荡。
 
美国当地时间2016年2月10日,LIGO合作组宣布,他们于2015年9月14日探测到了引力波,它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞,然后并合为一个62太阳质量的黑洞,丢失的3太阳质量转化为引力波的能量。“太阳质量”是天体质量的单位,1个太阳质量意思就是说,它的质量等于太阳的质量。这个工作也证明了黑洞的存在。
 
LIGO捕捉到信号时,美国处于凌晨,德国处于中午,所以最早注意到这个信号的是汉诺威的Marco Drago。他发现信号与理论预言的一致。
 
2015年12月26日和2017年1月4日,LIGO又先后两次探测到黑洞并合产生的引力波。另外LIGO还探测到一次可信度较低的信号。不久前,2017年8月14日,LIGO又和靠近意大利比萨的引力波天文台VIRGO共同探测到另一次黑洞并合产生的引力波。这是VIRGO第一次探测到信号。3个探测器共同工作,使得误报率从300年1次降低到5700年1次,将引力波源定位准确性提高了10倍,还确定了引力波的振动方向(偏振)。
 
很多科学家对LIGO的成功作出了贡献。特别一提的是,以创造性的实验技能最早提出用激光干涉仪探测引力波并作噪声分析的韦斯、对激光干涉仪的稳定性作出重要贡献的德雷弗、对引力波的产生和探测作了很多理论工作的索恩以及建立LIGO国际合作并将其转化为大科学的巴里什。不幸的是,德雷弗几年前得了一种老年痴呆(dementia),并于今年3月去世。
 
在今年诺贝尔奖之前,这几位科学家已经获得若干其他奖项。德雷弗、索恩和韦斯获得2016年的Kavli天体物理奖、Gruber 宇宙学奖和邵逸夫奖,这三位科学家以及LIGO团队还获得2016年基础科学特别突破奖。韦斯、索恩和巴里什获得第二届(2017年)复旦-中植科学奖[3]。
 
LIGO的历史
 
LIGO是怎么走上成功之路的?
 
1960年代,前苏联的M. E. Gertsenshtein和 V. I. Pustovoit提出可以用迈克尔孙干涉仪测量引力波。几年后,韦伯和他的学生造出了第一个引力波激光干涉仪原型。几乎同时,韦斯在皮拉尼的启发下开始类似工作,于1967年演示了一个激光干涉,其敏感度只受限于光子颗粒噪声。
 
LIGO的成功可以追溯到麻省理工学院的韦斯1972年的报告,其中分析了引力波干涉仪的各种背景噪声,包括来自地震、引力场梯度、真空管热梯度、镜子及其悬挂索的热燥声、激光输出功率的变化、激光频率的不稳定、镜子的压强反冲、激光的颗粒噪声,乃至地磁和宇宙线的可能效应。当时这个干涉仪的目标是来自脉冲星的引力波,韦斯估计它的长度约1公里。1974年,韦斯申请美国科学基金会(NSF)自助,将他1米长的原型改为9米长。
 
当时,德雷弗等人在英国格拉斯哥大学造了一个1米长的干涉仪,后来改进为10米长,且包含法布里—珀罗腔。德国H. Billing等人造了个3米长的,后来改进为30米。两家后来合作,建造了汉诺威附近的600米长的GEO600,并与LIGO合作。
 
1970年代,加州理工学院的索恩的研究组作了很多理论工作,包括预言各种引力波源的信号以及分析工具。1970年代后期,索恩说服学校建立实验组,引进德雷弗,与S. Whitecomb一起领导实验工作。加州理工学院也有了一个干涉仪原型。
 
1980年代早期,NSF资助这两家干涉仪原型,并资助韦斯设计几公里长的探测器。韦斯的这个“蓝皮书”表明了可行性,建议建造相距几千公里的两个5公里长的干涉仪。 
 
1984年,LIGO项目开始,由韦斯、德雷弗和索恩领导,总部在加州理工。他们3人一起工作多年。
 
NSF后来聘请R. Vogt任主任,1990年批准用30亿美元建造现在的LIGO,1994年聘请巴里什为主任。巴里什将LIGO转化为一个大的国际合作计划,1997年建立LIGO国际合作组织(LSC),领导了两个探测器的建造,以及2002年和2005年的运行。2005年,巴里什开始领导国际线性加速器。
 
这次诺贝尔物理学奖宣布前后,著名美籍物理学家冯达旋老师告诉我,他1983年至1985年在NSF做理论物理计划,有三位主任,他负责中低能物理,Boris Kayser负责高能物理,Rich Isaacson负责天体物理。冯老师认为Isaacson对LIGO的帮助很大。德雷弗、索恩和韦斯常常来讨论经费。冯老师对幽默的苏格兰人德雷弗特别有好感。每次德雷弗、索恩和韦斯来访时,都在Isaacson的办公室里激烈讨论。索恩还会用冯老师办公室的计算机终端做计算,有时彻夜不归。冯老师问过他们,爱因斯坦有没有可能错了。索恩说,爱因斯坦错的可能性太小了,不过万一错了,也是让我们对大自然有更深的了解!   
 
其他引力波探测器
 
1996年,意大利—法国合作建成臂长3米的VIRGO,适合于低频率的信号,2003年开始工作。2017年8月1完成升级后与LIGO共同工作了4周。8月14日,VIRGO和LIGO共同探测到一次引力波。
 
国际上还有日本的300米臂长的TAMA 300,现已停止工作,是计划中的KAGRA的原型。KAGRA可能2018年开始工作。计划中的还有建在印度的LIGO-印度,作为LIGO的第三个探测器、比LIGO探测范围大几千倍的欧洲的爱因斯坦望远镜。还有计划建在太空的探测低频率引力波信号的探测器,包括由3个空间站组成的激光干涉太空天线(LISA)和日本的分赫兹干涉引力波天文台(DECIGO)。中国在讨论地面探测器天琴计划和太空探测器太极计划。中国还有个阿里计划,通过微波背景辐射间接研究宇宙原初引力波。
 
意义
 
作为人类历史上最重大的发现之一,LIGO探测到引力波的意义不仅在于直接验证广义相对论和它预言的引力波的存在,更重要的,还在于开启了对强引力、随时间变化的引力以及黑洞的直接观测,打开了认识宇宙的一个新窗口。在这之前,我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和粒子,如宇宙线和中微子,而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息。
 
LIGO探测到黑洞并合产生的引力波,也证明了黑洞的存在及其一些性质。以前关于黑洞的信息都是间接的,所以原来黑洞的存在并没有被直接证实。
 
比如,对于迄今观测到的每次引力波事件,都可以验证,最后的大黑洞的质量的平方都大于原来的两个小黑洞的质量平方之和。以GW150914为例,62的平方确实大于36的平方加上29的平方。因为黑洞的视界面积正比于质量的平方,这就验证了霍金(Stephen William Hawking)的面积不减定理。
 
可以期待,引力波的观测将会更加常态化,引力波天文学将会发展起来,其他引力波源,比如中子星并合、超新星爆发等等将来也应该会被观测到。
 
LIGO的成功同时也是精密测量的伟大胜利,也将进一步推动量子测量方面的研究。比如LIGO将用压缩态激光降低量子噪声。
 
作为上千人的国际合作,LIGO的成功还给大科学的运作提供了经验。
 
参考文献:
[1] 诺贝尔奖官方资料。
[2] 施郁,“爱因斯坦在1916:从引力波到电磁波”,知识分子,2016.3.19. 
[3] 施郁,“三位引力波猎手,获第二届‘复旦-中植科学奖’”,知识分子,2016.3.19.
 
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