诺贝尔物理学奖官方解读：引力波开启观察宇宙新时代

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　　诺贝尔物理学奖揭晓 三位科学家因引力波获奖

　　引力波为什么获诺奖？通俗易懂给你讲一遍

　　获诺贝尔物理学奖的引力波是啥？要从爱因斯坦说起

　　2017年度诺贝尔物理学奖获奖者到底是谁？

　　  北京时间10月3日傍晚消息，刚刚，瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予三位引力波探测计划的重要科学家，三人均来自LIGO/VIRGO合作组，以奖励他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献”。奖金的一半授予莱纳·魏斯（Rainer Weiss），另外一半由巴里·巴里什（Barry C。 Barish）和基普·索恩（Kip S。 Thorne）两人分享。

首次被探测到的引力波

　　时空涟漪

　　2015年9月14日，LIGO探测器目睹了一次时空中的涟漪：人类首次检测到了引力波信号。尽管这一信号在抵达地球时极其微弱，但它已经掀起了一场物理学的全新革命，是我们观察宇宙事件并检测我们知识极限的崭新手段。

　　人类首次探测到的引力波信号源自数亿年之前两个黑洞发生的碰撞。爱因斯坦再一次被证明是正确的。自爱因斯坦预言引力波存在之后，时间又过了100年，但当初爱因斯坦尽管提出了引力波存在的理论，但他本人并不相信引力波有朝一日能够被探测到。

　　LIGO的全称是“激光干涉引力波天文台”，这是一个由来自20多个国家的上千名科学家们共同参与的大型合作项目。这些科学家们通力合作，实现了一项延续超过半个世纪的梦想——引力波的直接探测。2017年度诺贝尔物理学奖的获奖人们以他们的热情和决心，成为了实现LIGO的成功背后不可或缺的关键人物。莱纳·魏斯，巴里·巴里什和基普·索恩领导了整个项目的推进，直到最终完成，确保了40多年的努力最终结出硕果，获得了首次引力波探测的成功。

　　在国际合作组完成最终的数据分析工作之前大约5个月，传言便开始四处流传，但研究组一直对此保持沉默，他们在完全确信之前不敢轻易发布消息，直到2016年的2月11日一鸣惊人。

　　除了是首次观测到引力波之外，LIGO项目的科学家们在那次发现中还创造了多项第一。比如说，这有信号首次证实宇宙中存在质量介于30~60倍太阳质量的黑洞并且它们之间可以发生合并。在合并的一瞬间，产生的引力波信号要强过宇宙中所有恒星的星光的总和。

　　捕捉引力波信号的示意图。天文学家首次捕捉到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后经过地球时，强度已经减弱不少，它们对时空的扰动被LIGO记录下来，而这一扰动比原子核还小数千倍。

　　时空的震动

　　一片漆黑之中，两个黑洞的碰撞产生的震动信号打破了宇宙的平静。就像一颗小石头丢进平静的湖面，引力波像一道道涟漪，在时空中扩散开来。但它仍然需要时间才能抵达地球。尽管引力波信号以光速传播，它仍然需要数亿年的时间才抵达我们这里。

　　2015年的9月14日，在美国两台LIGO探测器的记录仪上，数据曲线出现了一条微小的波动，这是13亿光年外两个黑洞的碰撞发出的信号。

　　LIGO并不是平常意义上的望远镜，它并非用于光学探测，甚至不是用于接收电磁波，它的用途是用来聆听宇宙深处的引力波信号，即便引力波的本质是时空本身产生的涟漪。

　　数十年来，物理学家们一直在尝试探测爱因斯坦在百年之前预言的引力波。爱因斯坦指出，时空具有“弹性”，当有质量的物体加速时产生的引力波将会造成四维时空的波动，比如遥远星系内恒星的爆炸，或者两个黑洞在合并之前的高速旋转等等。和引力波一样，黑洞本身也是由爱因斯坦在1915年提出的广义相对论所描述的。在后来超过50年的时间里，大部分主流科学家一直认为黑洞只是爱因斯坦方程组的一个解，而非实际存在于宇宙中的真实天体。

　　相对论将引力视作是时空的扭曲。当引力极端强大时，时空的扭曲可以达到极限，形成一个黑洞。黑洞是时空中最为奇异的天体——没有任何东西能够逃离黑洞，光线都不行。也正因为如此，黑洞一直是物理学中的一种神秘存在。引力波带给科学家们一种希望，他们或许可以尝试去检测一种此前从未想过的全新的信号，但关于时空的谜团究竟是否能够真正被揭开仍然难以预料。在很长一段时间里，爱因斯坦本人一直确信引力波信号是不可能被检测到的，因为他自己都不能肯定这究竟是真实存在的现象还是只是一种数学计算上的假象。

　　他当时的同事，英国大科学家亚瑟·爱丁顿更是完全不相信引力波这种说法，他说，引力波不是以光速传播，而是以“思想的速度在传播”，以此表达自己对此现象真实性的质疑。

　　一直到上世纪1950年代末，引力波的想法才开始逐渐被更多人接受，当时的计算结果证明引力波应该可以携带有能量，因此至少从理论上说或许是可以被检测到的。第一个非直接证据出现在1970年代，当时美国天文学家约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和拉塞尔·赫斯（Russell Hulse）使用一台大型射电望远镜对一对脉冲双星进行了观测。他们的观测显示这两颗致密星体之间相互绕转的速度不断加快，并在此过程中损失能量并相互靠近。计算显示其失去的能量值符合引力波理论的预测数值。由于这项成就，约瑟夫·泰勒与拉塞尔·赫死被授予了1993年的诺贝尔物理学奖。然而，他们两人的工作毕竟仍然是间接的。我们仍然希望能够直接检测到引力波的信号。

　　但要在时空中产生涟漪异常困难，因此只有宇宙中最为剧烈的事件才有可能产生出能够被检测到的引力波信号。但即便如此，这种信号仍然极为微弱———检测它们就像测量一颗10光年外恒星的距离，并且要求你精确到一根头发丝直径。因此，尽管我们知道整个宇宙中到处都是引力波引发的涟漪，但银河系内部发生的，且能够被检测到的那种强烈信号却是相对较少的，我们必须指望宇宙中那些更加遥远的地方。

　　用引力波回溯过去

　　现在，我们检测到了引力波的信号。产生这一信号的两个黑洞自宇宙早期诞生之初便一直在相互绕转，并最终合二为一。它们之间每绕转一圈，便在时空之中形成一道涟漪，这些涟漪以引力波的形式，在宇宙时空之中不断扩散远去。这些涟漪携带有能量，于是两个黑洞便通过这种方式损失了能量，这让它们两者之间的距离越靠越近，速度也变得越来越快，于是损失能量的速度也就越来越快，这样的过程持续了数百万年。最终，在一瞬间，两个黑洞的事件视界相互接触，两个黑洞最终合并。在合并的一瞬间，所有震动全部消失，只剩下一个完好的，但是质量更大的自转的黑洞，完全看不到任何狂暴历史发生过的痕迹。

　　但这是假象。有关曾经存在过的两个黑洞合并的历史并没有完全消失——这段历史被隐藏在那时空的涟漪之中。引力波不断拉伸或压缩着它通过的时空，不同的“音调”诉说着不同的故事。如果我们能够倾听所有的引力波信号，而不仅仅是其中那些最强烈的信号，那么整个宇宙将像一座充满音乐的殿堂，就像森林中各种鸟儿的合唱，各种声音此起彼伏。在数十亿年之后，随着两个黑洞宿命般的最终合并，音乐将迎来高潮，然后，一片死一样的寂静，仿佛一切都不曾发生。为何如此安静？

　　因为产生这些信号的源头太过遥远了。引力波和光波一样，随着传播距离增加，其强度会衰减。因此当引力波信号传递到我们这里时，它的强度已经大大减弱了——LIGO项目捕捉到的引力波信号引发的时空变化，其程度不超过一个原子核直径的千分之一。

LIGO由两个完全相同的巨大干涉仪组成。

　　LIGO——巨型干涉仪