真的是引力波｜2017諾貝爾物理學獎頒給這三位科學家
今年的諾貝爾物理學獎似乎毫無懸念地花落引力波。瑞典皇家科學院今天宣佈，今年的諾貝爾物理學獎授予三位引力波探測計畫重要科學家萊納·魏斯（Rainer Weiss）巴里·巴里什（Barry C Barish）和基普·索恩（Kip S Thorne），
引力波獲獎可以說是眾望所歸，因為LIGO實驗直接探測到並且發現了廣義相對論的最重要預言。三位科學家的獲獎，也是對百年現代物理學的致敬。
引力波是什麼？
百年之前，愛因斯坦首次預言引力波的存在。根據他的廣義相對論，引力波以光速傳播，蕩漾宇宙。當一個品質體加速時就會產生引力波，就像一位滑冰者做出轉圈動作，或者兩個黑洞相互快速繞轉。這種引力波與其他任何種類的輻射都不同，它會以光速穿越空間，但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量，這就意味著，如果這兩個品質物體處於相互運行的軌道之中，
我們通常用一個圖示來說明這個道理：空間是一片因為中央大品質天體而畸變的曲面，大品質天體旁邊有一個較小的天體。
不過愛因斯坦確信，引力波是不可能被探測到的。
然而他錯了。
2015年9月14日，宇宙中的引力波首次被人類探測到。2016年2月12日，鐳射干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）合作組宣佈了這個消息。這個被測到的引力波，來自一個品質為36太陽品質的黑洞與一個29太陽品質的黑洞的碰撞，然後併合為一個62太陽品質的黑洞，失去的3太陽品質轉化為引力波的能量。
LIGO是一個由來自20多個國家的上千名科學家們共同參與的大型合作專案。這些科學家們通力合作，實現了一項延續超過半個世紀的夢想。萊納·魏斯，巴里·巴里什和基普·索恩領導了整個項目的推進直到完成，確保了40多年的努力最終結出碩果，獲得了首次引力波探測的成功。
LIGO包括兩處設施，分別位於美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。設施包括兩條互相垂直的長臂，長度均為4公里。將一束鐳射用分光鏡分成夾角為90度的兩束，然後兩束鐳射分別被4公里外的反射鏡反射回來並發生干涉，並且這樣的反射可以來回進行多次，從而大大增加鐳射運行的路徑長度。
引力波會造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強度取決於形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特徵，如兩個相互繞轉天體各自的品質大小、它們兩者之間的間距以及這一系統距離地球的遠近。利用這樣的原理，由於頻率和波長完全一致，在正常情況下，這兩束鐳射應該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會對這兩束鐳射的波長頻率產生影響，從而導致兩束鐳射在疊加的干涉條紋上出現改變。這樣的改變將能夠讓科學家們判斷兩個繞轉天體各自的品質大小、它們之間的間距以及這玩意系統到地球之間的距離等豐富的資訊。
如果兩處設施均觀測到同樣的信號，那麼我們幾乎就能夠肯定我們的確是觀測到了引力波信號了。目前版本的LIGO系統對於品質在1倍太陽品質到數百倍太陽之間之間的兩個黑洞合併過程可能產生的引力波信號最為敏感，且其探測能力可以覆蓋距離地球數百萬光年之外——在這樣一個巨大的空間範圍內，符合條件的黑洞合併事件每年都會至少發生幾次。
LIGO中方研究員、清華大學教授曹軍威在得知引力波獲獎消息後表示，“此次獲獎的意義在於，這一探測證實了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發表的廣義相對論的一個重要預言，並開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新視窗。從未來的發展來看，開啟了引力波天文學的新時代，形成引力波觀測觸發下的多信使天文學。對我們中國而言，清華大學資訊技術研究院LIGO科學合作組織工作組參與了引力波直接探測並作出了貢獻。中國亟需自主建設引力波天文臺、培養跨領域人才、加強國際合作，進而帶動技術創新和科學發現，推動我國引力波研究的發展。”
在上世紀1970年代，萊納·魏斯便開始著手分析在引力波探測中背景雜音可能會對探測結果造成的影響，並親自設計了一種基於鐳射干涉原理，能夠過濾掉噪音的引力波探測器。和愛因斯坦不同，而從一開始，萊納·魏斯和基普·索恩就確信，引力波是可以被探測到。
後來雷納·韋斯發明的鐳射干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要雜訊來源，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·索恩奠定了引力波探測的理論基礎，他開創了引力波波形計算以及資料分析的研究方向，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，最終使引力波探測成為可能。遺憾的是，今年3月9日，LIGO另一位創始人、蘇格蘭實驗物理學家羅奈爾得·德雷弗（Ronald Drever）因癡呆症惡化逝世。
截至目前，所有電磁輻射和粒子，如宇宙射線和中微子等，都已經被用來探索宇宙。然而，引力波是時空本身存在擾動的直接證據。這是一種全新的、不同的東西，為人類開啟了完全陌生的世界。對於能成功捕捉引力波並翻譯其中資訊的研究者來說，這意味著無數新穎的發現等待著他們。
獲獎人簡介
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。父親威恩·索恩是農藝學專家，母親愛麗森·索恩是經濟學家。索恩早年在學術道路上順風順水，成為了加州理工歷史上最年輕的正教授之一。他於1962年獲得加州理工的學士學位，在1965年獲得普林斯頓大學的博士學位。1967年索恩回到加州理工被聘任為副教授，三年後晉升為理論物理的教授。
他奠定了引力波探測的理論基礎，開創了引力波波形計算以及資料分析的研究方向，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。
值得一提的是，索恩教授在2009年辭去費曼教授職務後，開始追求寫作和電影事業。他的第一部電影就是和諾蘭合作的《星際穿越》，索恩教授擔任該片的科學顧問。索恩教授曾多次為《科學美國人》撰文，在《黑洞專刊》中，就有索恩等人撰寫的《把黑洞看成一張膜》。
雷納·韋斯（Rainer Weiss）
1932年9月29日在德國柏林出生，現年85歲。為了躲避政治動盪，一家在1932年末搬家到布拉格，後在1938年搬家到美國。他年輕時在紐約市度過，曾就讀于哥倫比亞文法學校。他在1955年獲得麻省理工學士學位和1962年獲得麻省理工學院博士學位。他於1960至1962年執教於美國塔夫斯大學，1962至64年是普林斯頓大學的博士後學者，後於1964年加入麻省理工任教。
在他的學術生涯中，最重要的成就是發展出鐳射干涉術來探測引力波。這項技術是鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）裝置的基礎。韋斯教授首次分析了探測器的主要雜訊來源，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，在人類歷史上第一次探測到了引力波。
巴里·巴里什（Barry Clark Barish）
出生在美國內布拉斯加州的奧馬哈，現年81歲。他在南加州長大，高中就讀於洛杉磯。1957年獲得物理學學士，1962年獲得加州大學伯克利分校的實驗高能物理的博士學位。1963年他加入加州理工。巴里什在美國自然科學基金會國家科學委員會批准資助該專案中發揮了重要作用，並對LIGO的建造和交付使用發揮了重要作用。他還創建了LIGO的科學合作組織（LIGO Scientific Collaboration），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，最終使引力波探測成為可能。目前全球的合作者已經超過1000個。
巴里什曾在1973年8月刊的《科學美國人》中撰文，介紹中微子試驗的開展情況。
圖文綜合自網路
一起喝杯科學咖啡吧~
確保了40多年的努力最終結出碩果，獲得了首次引力波探測的成功。LIGO包括兩處設施，分別位於美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。設施包括兩條互相垂直的長臂，長度均為4公里。將一束鐳射用分光鏡分成夾角為90度的兩束，然後兩束鐳射分別被4公里外的反射鏡反射回來並發生干涉，並且這樣的反射可以來回進行多次，從而大大增加鐳射運行的路徑長度。
引力波會造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強度取決於形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特徵，如兩個相互繞轉天體各自的品質大小、它們兩者之間的間距以及這一系統距離地球的遠近。利用這樣的原理，由於頻率和波長完全一致，在正常情況下，這兩束鐳射應該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會對這兩束鐳射的波長頻率產生影響，從而導致兩束鐳射在疊加的干涉條紋上出現改變。這樣的改變將能夠讓科學家們判斷兩個繞轉天體各自的品質大小、它們之間的間距以及這玩意系統到地球之間的距離等豐富的資訊。
如果兩處設施均觀測到同樣的信號，那麼我們幾乎就能夠肯定我們的確是觀測到了引力波信號了。目前版本的LIGO系統對於品質在1倍太陽品質到數百倍太陽之間之間的兩個黑洞合併過程可能產生的引力波信號最為敏感，且其探測能力可以覆蓋距離地球數百萬光年之外——在這樣一個巨大的空間範圍內，符合條件的黑洞合併事件每年都會至少發生幾次。
LIGO中方研究員、清華大學教授曹軍威在得知引力波獲獎消息後表示，“此次獲獎的意義在於，這一探測證實了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發表的廣義相對論的一個重要預言，並開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新視窗。從未來的發展來看，開啟了引力波天文學的新時代，形成引力波觀測觸發下的多信使天文學。對我們中國而言，清華大學資訊技術研究院LIGO科學合作組織工作組參與了引力波直接探測並作出了貢獻。中國亟需自主建設引力波天文臺、培養跨領域人才、加強國際合作，進而帶動技術創新和科學發現，推動我國引力波研究的發展。”
在上世紀1970年代，萊納·魏斯便開始著手分析在引力波探測中背景雜音可能會對探測結果造成的影響，並親自設計了一種基於鐳射干涉原理，能夠過濾掉噪音的引力波探測器。和愛因斯坦不同，而從一開始，萊納·魏斯和基普·索恩就確信，引力波是可以被探測到。
後來雷納·韋斯發明的鐳射干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要雜訊來源，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·索恩奠定了引力波探測的理論基礎，他開創了引力波波形計算以及資料分析的研究方向，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，最終使引力波探測成為可能。遺憾的是，今年3月9日，LIGO另一位創始人、蘇格蘭實驗物理學家羅奈爾得·德雷弗（Ronald Drever）因癡呆症惡化逝世。
截至目前，所有電磁輻射和粒子，如宇宙射線和中微子等，都已經被用來探索宇宙。然而，引力波是時空本身存在擾動的直接證據。這是一種全新的、不同的東西，為人類開啟了完全陌生的世界。對於能成功捕捉引力波並翻譯其中資訊的研究者來說，這意味著無數新穎的發現等待著他們。
獲獎人簡介
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。父親威恩·索恩是農藝學專家，母親愛麗森·索恩是經濟學家。索恩早年在學術道路上順風順水，成為了加州理工歷史上最年輕的正教授之一。他於1962年獲得加州理工的學士學位，在1965年獲得普林斯頓大學的博士學位。1967年索恩回到加州理工被聘任為副教授，三年後晉升為理論物理的教授。
他奠定了引力波探測的理論基礎，開創了引力波波形計算以及資料分析的研究方向，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。
值得一提的是，索恩教授在2009年辭去費曼教授職務後，開始追求寫作和電影事業。他的第一部電影就是和諾蘭合作的《星際穿越》，索恩教授擔任該片的科學顧問。索恩教授曾多次為《科學美國人》撰文，在《黑洞專刊》中，就有索恩等人撰寫的《把黑洞看成一張膜》。
雷納·韋斯（Rainer Weiss）
1932年9月29日在德國柏林出生，現年85歲。為了躲避政治動盪，一家在1932年末搬家到布拉格，後在1938年搬家到美國。他年輕時在紐約市度過，曾就讀于哥倫比亞文法學校。他在1955年獲得麻省理工學士學位和1962年獲得麻省理工學院博士學位。他於1960至1962年執教於美國塔夫斯大學，1962至64年是普林斯頓大學的博士後學者，後於1964年加入麻省理工任教。
在他的學術生涯中，最重要的成就是發展出鐳射干涉術來探測引力波。這項技術是鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）裝置的基礎。韋斯教授首次分析了探測器的主要雜訊來源，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，在人類歷史上第一次探測到了引力波。
巴里·巴里什（Barry Clark Barish）
出生在美國內布拉斯加州的奧馬哈，現年81歲。他在南加州長大，高中就讀於洛杉磯。1957年獲得物理學學士，1962年獲得加州大學伯克利分校的實驗高能物理的博士學位。1963年他加入加州理工。巴里什在美國自然科學基金會國家科學委員會批准資助該專案中發揮了重要作用，並對LIGO的建造和交付使用發揮了重要作用。他還創建了LIGO的科學合作組織（LIGO Scientific Collaboration），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，最終使引力波探測成為可能。目前全球的合作者已經超過1000個。
巴里什曾在1973年8月刊的《科學美國人》中撰文，介紹中微子試驗的開展情況。
圖文綜合自網路
一起喝杯科學咖啡吧~