2017年諾貝爾物理學獎正式揭曉！主角果然是它！
2017-10-04 12:59
北京時間10月3日17點45分，萬眾矚目的2017年諾貝爾物理學獎揭曉。本次的獲獎者為：雷納·韋斯 (Rainer Weiss)，巴里·巴里什（Barry Clark Barish），基普·索恩(Kip S Thorne)，以表彰他們對LIGO探測裝置的決定性貢獻以及探測到引力波的存在。
左起：雷納·韋斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)
基普·索恩，這個名字科幻迷不會陌生，他是電影《星際穿越》的科學顧問。
他還寫了一本給所有人的天文學通識讀本，
那麼，國內有沒有專門關於引力波的科普書籍呢？說真的，在2016年之前，幾乎沒有。2016 年 2 月 11日，在愛因斯坦預測引力波存在的100 年之後，
當時深夜君要做一個介紹引力波的科普書專題，但找來找去，只找到一本1999年出版的書：
《宇宙之海的漣漪：引力波探測》
大衛·布雷爾等著，王有瑞譯
江西教育出版社，1999年10月
這也說明，引力波這個東西太新了。不過在這之後，介紹引力波的專業書籍一下子多了起來，報下書名：2017年8月出版的《引力波》，2017年3月出版的《追蹤引力波》，2016年12月出版的《永恆的誘惑：宇宙之謎》。
那麼，什麼是引力波？它對人類探索宇宙有什麼意義？前面說的《宇宙之海的漣漪：引力波探測》可以說是人類探索引力波的前傳了。這本書由澳大利亞的大衛·布雷爾與傑夫·麥克納瑪拉合著。
兩位作者對引力波的原理解釋得非常深入淺出，還用輕鬆的筆觸講述了引力波探索的各種逸聞趣事。例如這群引力波探索者被天文學同行譏誚為“一群搶奪天文經費的物理學家"，還有一次他們捕捉到的引力波信號，只是掠過探測站的一架飛機。
01
為什麼要探測引力波？
13億年前，兩個黑洞併合，其攪動時空產生的引力波信號開始了漫漫的星際旅途；2015年9月14日，剛剛升級完畢的LIGO捕捉到了這個信號，並將之命名為GW150914。目前，人類已經分別在2015年9月、2015年12月、2017年1月和2017年8月完成了四次引力波的觀測，在最近一次引力波的觀測中，由位於美國和義大利的三處天文臺同時觀測到這種黑洞融合現象。
科學家類比的引力波圖像
但探測引力波為什麼如此重要呢？在我們這個世紀，幾乎所有人都認為我們對自然和宇宙起源的認識已接近完美，但仍有很多問題沒有解決。譬如，我們仍沒有弄清楚現今的宇宙為什麼是這個樣子。為解答類似的問題，我們需要找到觀測宇宙的新方法。
從伽利略開始，天文學家們一直在通過不斷增加的電磁波譜的波段範圍來探測宇宙。起初只是可見光，我們通過望遠鏡將可見光捕獲、放大，並通過不斷增加望遠鏡的尺寸和數量以獲得更有效的觀察結果。
後來，無線電波的發現使我們看到了一個沒有人會相信的宇宙。再後來是太空船上的X射線和伽瑪射線望遠鏡，以及紫外線和紅外線望遠鏡。
引力波代表著一個全新的尚待開發的波譜，我們不能將其視為電磁波譜中的一扇新窗戶，而應將其視為一種可以被用來探索宇宙的全新的波譜。電磁波給我們的是延伸的視覺，而引力波則提供一種全新的感覺：聽覺。
引力波讓我們可以傾聽宇宙，我們希望有朝一日能親耳聽到恒星的爆炸、中子星的合併、黑洞的創生等，甚至聽到宇宙初創時那聲空前絕後的大爆炸！有了這種新的感覺，我們也許能弄明白眼前的宇宙為什麼會是現在這樣。
02
探測先驅約瑟夫·韋伯
當下引力波探測的先驅是LIGO科學合作組織，也就是這次獲諾獎的三位科學家。但我們不要忘了歷史上探測引力波的真正先驅——約瑟夫•韋伯（Joseph Weber，1919—2000年）。
1969年，美國物理學家約瑟夫·韋伯宣稱，他已取得很多人認為是不可能的成就：探測引力波。這一宣佈使人們立即對韋伯刮目相看，全美各地紛紛邀請他去做報告。
韋伯是個精瘦、剛毅而又活躍的老頭子，長著一頭像愛因斯坦一樣又粗又硬的灰白頭髮。他的報告充滿著激情和幽默，甚至使深奧的數學也變得有趣起來。
但韋伯的名望很快遇到了挑戰，人們開始懷疑他的正確性，展開曠日持久的大論戰。韋伯是否真正發現了引力波，我們暫且放在一邊。但不可否認，這位偉大的科學家的確激發了全世界尋找廣義相對論中一個仍未被證實的預言的熱情。
二戰後，電晶體的發明引導了一場全人類的電子革命。其時，韋伯剛剛從海軍退役，他使用一種“非熱平衡"的系統來尋找將信號放大的方法。他的思路是，使用原子或分子的集合體，使之充滿能量，當微弱的射電信號通過它們時，原子釋放出與原始信號一樣的能量，只不過更強烈一點。
這一過程的最初預言者是愛因斯坦，後來人們發現了更為著名的同類物質：鐳射。
大多數科學家包括愛因斯坦在內，將引力波僅看作學術興趣，他們認為，如此微弱的信號無法探測。但韋伯卻不信邪，勇敢地接手了這一挑戰。
1969年底，韋伯在權威雜誌《物理評論快訊》上列出一系列零時延遲事件的超出值，並聲明這是真正的引力波跡象。這意味著，他探測到的每一個脈衝，比人們所能想像的爆發力，還要高出幾百萬倍的閃爍。
美國路易斯安那州，鐳射干涉引力波天文臺
理論家們想像，某個位於銀河系中心的黑洞，可能會發射出強烈的引力波。人們開始相信韋伯的結論，天文學家們著手尋找引力波的可見跡象，他們每年都要搜索成千上萬顆恒星。
上世紀70年代初期，韋伯繼續報告更多的信號，表明這些波動的確是從銀河系中心傳來的。但到1972年，其他研究者開始報告他們的發現。IBM研究室、貝爾電話實驗室和巴黎、慕尼克、羅馬、格拉斯哥和莫斯科的探測器，都重複著韋伯的尋找工作，但什麼也沒有發現。對他們來說，宇宙是寂靜的。
年末，科學家們在麻省理工學院召開了一次引力波研討會。有兩位科學家，一位叫托尼·泰森，一位叫理查·高文，都宣稱韋伯的發現不正確。證據之一是韋伯提供的雙倍數據是電腦程式錯誤引起的。
理查·高文固執地不信任韋伯，韋伯異常沮喪，兩人爭執的聲音越來越大，最終虎視眈眈，握拳相向。眼看兩個科學家就要開打了，主持會議的菲裡普·莫里森教授一瘸一拐地走到他們中間，舉起拐杖硬是將他們分開。
03
5000萬美元的人造藍寶石
當韋伯尋找引力波時，他所製作的探測器的靈敏度卻遠達不到探測要求。後來人們研製出更先進的探測器，使用的是超導材料。超導是指材料在冷卻到極低溫度時表現的一種特性。這一改進使韋伯的原始儀器在功效上提高了10000倍以上。
量子極限是可探測振動量級的最基本極限，這個問題最初由俄羅斯科學院院士布拉金斯基提出。他是一個地道的俄羅斯人，圓圓的臉蛋，愉快的微笑，嘴角總是掛著根香煙。
布拉金斯基對共振棒的熱噪音更為關注，他的答案是尋找一種更好的材料：純的人造藍寶石。這種材料的損耗極低，低到足以消除所有熱噪音的地步。布拉金斯基在莫斯科國立大學極為原始的條件下證明了這些。他說服一個水晶研究所為他製作了一根約半米長的水晶棒。用他的話說，你必須“用最細的中國絲綢或最細的瑞典鎢絲將它懸掛起來"。
布拉金斯基的藍寶石棒長度為半米，頻率為40000赫茲，可以說是超聲波，這對於可能的引力波來說高得太多了。要降低其頻率，就需要更長的棒。那樣的話，價格又高得令人咋舌：一家美國公司提出製造一根長約5米、直徑為1米的人造藍寶石棒，在不保證成功的情況下，居然開價5000萬美元！
04
錢！錢！錢！
與引力波天文學緊密聯繫在一起的是能源、人力和金錢。有一位元澳大利亞光學天文臺台長曾指責引力波研究者是“一群試圖搶劫天文學金錢的物理學家"！現實是，任何一個引力波觀測站都非常昂貴。
在美國，為建立引力波觀測站而爭取基金的鬥爭過程相當複雜，若將之比為一個人的一生，引力波站的建立則經歷如下幾個階段：陰差陽錯的婚姻、難產、多病的童年和動盪不安的青春期。整個故事將為未來的科學史家們提供數不盡的素材。
美國國家自然科學基金會資助麻省理工學院的雷納·韋斯對鐳射干涉儀的研製。加州理工學院的理論天體物理學教授基普·索恩，則說服他的大學建立了一座鐳射干涉儀引力波探測器，他們從格拉斯戈小組將萬·杜拉韋聘請過來，並讓他最後落戶於洛杉磯。
杜拉韋是一個矮小粗胖，說話奇快的蘇格蘭人，對物理學有一種直覺，而且善於利用廢棄物。他習慣於在他的實驗中使用無線電控制的玩具小汽車和電控火車，他更奇特的主意之一是將橡膠玩具汽車夾在鋼或鉛之間，用以隔離震動。
杜拉韋的很多怪念頭都有相當重要的意義。其中之一就是能量回收法。假定所有的鐳射能全部撞擊到圖影探測器上，探測器將被毀壞，但能量是守恆的，亮光不得不逃離到其他地方。
這位蘇格蘭人說：為什麼浪費這些光呢？他提議在輸入處安裝一個高效反射鏡，將逃出來的光線直接回送回去。令人驚訝的是，這一方法收到了很好的效果。
當回收鏡被仔細定位後，浪費的光亮重新又加入到干涉儀的光中，使光的總積累增大數百倍，這一觀念成為現在鐳射干涉儀技術的基石。
這次宣佈發現引力波的LIGO小組，它的主要贊助者是美國國家自然科學基金會、英國科學與技術設施理事會、德國的普朗克協會以及澳大利亞研究委員會。這個專案耗資超過6億美元，研究者超過1000人，主導單位是加州理工學院與麻省理工學院。
這次諾貝爾物理學獎的公佈，無疑意味著對引力波探測的權威肯定。那麼，你準備好了嗎？迎接正在開啟中的引力波天文學的新時代。
剛剛升級完畢的LIGO捕捉到了這個信號，並將之命名為GW150914。目前，人類已經分別在2015年9月、2015年12月、2017年1月和2017年8月完成了四次引力波的觀測，在最近一次引力波的觀測中，由位於美國和義大利的三處天文臺同時觀測到這種黑洞融合現象。科學家類比的引力波圖像
但探測引力波為什麼如此重要呢？在我們這個世紀，幾乎所有人都認為我們對自然和宇宙起源的認識已接近完美，但仍有很多問題沒有解決。譬如，我們仍沒有弄清楚現今的宇宙為什麼是這個樣子。為解答類似的問題，我們需要找到觀測宇宙的新方法。
從伽利略開始，天文學家們一直在通過不斷增加的電磁波譜的波段範圍來探測宇宙。起初只是可見光，我們通過望遠鏡將可見光捕獲、放大，並通過不斷增加望遠鏡的尺寸和數量以獲得更有效的觀察結果。
後來，無線電波的發現使我們看到了一個沒有人會相信的宇宙。再後來是太空船上的X射線和伽瑪射線望遠鏡，以及紫外線和紅外線望遠鏡。
引力波代表著一個全新的尚待開發的波譜，我們不能將其視為電磁波譜中的一扇新窗戶，而應將其視為一種可以被用來探索宇宙的全新的波譜。電磁波給我們的是延伸的視覺，而引力波則提供一種全新的感覺：聽覺。
引力波讓我們可以傾聽宇宙，我們希望有朝一日能親耳聽到恒星的爆炸、中子星的合併、黑洞的創生等，甚至聽到宇宙初創時那聲空前絕後的大爆炸！有了這種新的感覺，我們也許能弄明白眼前的宇宙為什麼會是現在這樣。
02
探測先驅約瑟夫·韋伯
當下引力波探測的先驅是LIGO科學合作組織，也就是這次獲諾獎的三位科學家。但我們不要忘了歷史上探測引力波的真正先驅——約瑟夫•韋伯（Joseph Weber，1919—2000年）。
1969年，美國物理學家約瑟夫·韋伯宣稱，他已取得很多人認為是不可能的成就：探測引力波。這一宣佈使人們立即對韋伯刮目相看，全美各地紛紛邀請他去做報告。
韋伯是個精瘦、剛毅而又活躍的老頭子，長著一頭像愛因斯坦一樣又粗又硬的灰白頭髮。他的報告充滿著激情和幽默，甚至使深奧的數學也變得有趣起來。
但韋伯的名望很快遇到了挑戰，人們開始懷疑他的正確性，展開曠日持久的大論戰。韋伯是否真正發現了引力波，我們暫且放在一邊。但不可否認，這位偉大的科學家的確激發了全世界尋找廣義相對論中一個仍未被證實的預言的熱情。
二戰後，電晶體的發明引導了一場全人類的電子革命。其時，韋伯剛剛從海軍退役，他使用一種“非熱平衡"的系統來尋找將信號放大的方法。他的思路是，使用原子或分子的集合體，使之充滿能量，當微弱的射電信號通過它們時，原子釋放出與原始信號一樣的能量，只不過更強烈一點。
這一過程的最初預言者是愛因斯坦，後來人們發現了更為著名的同類物質：鐳射。
大多數科學家包括愛因斯坦在內，將引力波僅看作學術興趣，他們認為，如此微弱的信號無法探測。但韋伯卻不信邪，勇敢地接手了這一挑戰。
1969年底，韋伯在權威雜誌《物理評論快訊》上列出一系列零時延遲事件的超出值，並聲明這是真正的引力波跡象。這意味著，他探測到的每一個脈衝，比人們所能想像的爆發力，還要高出幾百萬倍的閃爍。
美國路易斯安那州，鐳射干涉引力波天文臺
理論家們想像，某個位於銀河系中心的黑洞，可能會發射出強烈的引力波。人們開始相信韋伯的結論，天文學家們著手尋找引力波的可見跡象，他們每年都要搜索成千上萬顆恒星。
上世紀70年代初期，韋伯繼續報告更多的信號，表明這些波動的確是從銀河系中心傳來的。但到1972年，其他研究者開始報告他們的發現。IBM研究室、貝爾電話實驗室和巴黎、慕尼克、羅馬、格拉斯哥和莫斯科的探測器，都重複著韋伯的尋找工作，但什麼也沒有發現。對他們來說，宇宙是寂靜的。
年末，科學家們在麻省理工學院召開了一次引力波研討會。有兩位科學家，一位叫托尼·泰森，一位叫理查·高文，都宣稱韋伯的發現不正確。證據之一是韋伯提供的雙倍數據是電腦程式錯誤引起的。
理查·高文固執地不信任韋伯，韋伯異常沮喪，兩人爭執的聲音越來越大，最終虎視眈眈，握拳相向。眼看兩個科學家就要開打了，主持會議的菲裡普·莫里森教授一瘸一拐地走到他們中間，舉起拐杖硬是將他們分開。
03
5000萬美元的人造藍寶石
當韋伯尋找引力波時，他所製作的探測器的靈敏度卻遠達不到探測要求。後來人們研製出更先進的探測器，使用的是超導材料。超導是指材料在冷卻到極低溫度時表現的一種特性。這一改進使韋伯的原始儀器在功效上提高了10000倍以上。
量子極限是可探測振動量級的最基本極限，這個問題最初由俄羅斯科學院院士布拉金斯基提出。他是一個地道的俄羅斯人，圓圓的臉蛋，愉快的微笑，嘴角總是掛著根香煙。
布拉金斯基對共振棒的熱噪音更為關注，他的答案是尋找一種更好的材料：純的人造藍寶石。這種材料的損耗極低，低到足以消除所有熱噪音的地步。布拉金斯基在莫斯科國立大學極為原始的條件下證明了這些。他說服一個水晶研究所為他製作了一根約半米長的水晶棒。用他的話說，你必須“用最細的中國絲綢或最細的瑞典鎢絲將它懸掛起來"。
布拉金斯基的藍寶石棒長度為半米，頻率為40000赫茲，可以說是超聲波，這對於可能的引力波來說高得太多了。要降低其頻率，就需要更長的棒。那樣的話，價格又高得令人咋舌：一家美國公司提出製造一根長約5米、直徑為1米的人造藍寶石棒，在不保證成功的情況下，居然開價5000萬美元！
04
錢！錢！錢！
與引力波天文學緊密聯繫在一起的是能源、人力和金錢。有一位元澳大利亞光學天文臺台長曾指責引力波研究者是“一群試圖搶劫天文學金錢的物理學家"！現實是，任何一個引力波觀測站都非常昂貴。
在美國，為建立引力波觀測站而爭取基金的鬥爭過程相當複雜，若將之比為一個人的一生，引力波站的建立則經歷如下幾個階段：陰差陽錯的婚姻、難產、多病的童年和動盪不安的青春期。整個故事將為未來的科學史家們提供數不盡的素材。
美國國家自然科學基金會資助麻省理工學院的雷納·韋斯對鐳射干涉儀的研製。加州理工學院的理論天體物理學教授基普·索恩，則說服他的大學建立了一座鐳射干涉儀引力波探測器，他們從格拉斯戈小組將萬·杜拉韋聘請過來，並讓他最後落戶於洛杉磯。
杜拉韋是一個矮小粗胖，說話奇快的蘇格蘭人，對物理學有一種直覺，而且善於利用廢棄物。他習慣於在他的實驗中使用無線電控制的玩具小汽車和電控火車，他更奇特的主意之一是將橡膠玩具汽車夾在鋼或鉛之間，用以隔離震動。
杜拉韋的很多怪念頭都有相當重要的意義。其中之一就是能量回收法。假定所有的鐳射能全部撞擊到圖影探測器上，探測器將被毀壞，但能量是守恆的，亮光不得不逃離到其他地方。
這位蘇格蘭人說：為什麼浪費這些光呢？他提議在輸入處安裝一個高效反射鏡，將逃出來的光線直接回送回去。令人驚訝的是，這一方法收到了很好的效果。
當回收鏡被仔細定位後，浪費的光亮重新又加入到干涉儀的光中，使光的總積累增大數百倍，這一觀念成為現在鐳射干涉儀技術的基石。
這次宣佈發現引力波的LIGO小組，它的主要贊助者是美國國家自然科學基金會、英國科學與技術設施理事會、德國的普朗克協會以及澳大利亞研究委員會。這個專案耗資超過6億美元，研究者超過1000人，主導單位是加州理工學院與麻省理工學院。
這次諾貝爾物理學獎的公佈，無疑意味著對引力波探測的權威肯定。那麼，你準備好了嗎？迎接正在開啟中的引力波天文學的新時代。