倾听宇宙的声音

苗千

2017年10月3日，瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔物理学奖授予三位在引力波探测中做出杰出贡献的科学家：来自麻省理工学院的莱纳·魏斯（Rainer Weiss）将获得二分之一奖金，来自加州理工学院的巴里·巴里什（Barry C.Barish）和基普·索恩（Kip S.Thorne）将各获得四分之一奖金。

近些年来，本届诺贝尔物理学奖的归属算得上是最没有悬念，也最为众望所归的一次。这关系到人类对于广义相对论一百多年来的不懈验证，以及对于宇宙时空中所产生的极其细微的波澜长达数十年的探索。

人类能够把整个宇宙作为一个对象来研究，起源于1915年爱因斯坦发表广义相对论。随着对广义相对论的认识逐渐深入，人类也逐渐开始理解整个宇宙的时空和物质之间相互作用要受到一套基本原则的约束。另一方面，通过推导和求解广义相对论的方程，科学家们也得出了一些令人吃惊的结果，例如一些剧烈的天体活动可能导致时空本身产生振荡，这种振荡会以波的形式通过时空本身以光速传播，这就是广义相对论所预测的引力波。

爱因斯坦本人一开始并不相信引力波的存在，当他后来开始相信引力波确实可能存在，又因为这种时空的振荡在地球上可能造成的效果太过微小而预测人类可能永远都无法直接探测到引力波。尽管对于引力波的直接探测非常困难，但天文学家们首先通过宇宙观测间接探测到了引力波的存在。1974年，美国天文学家约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）与他的学生拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）发现了一个脉冲双星系统PSR 1913+16，这两颗相互围绕运转的中子星的公转周期不断变小，说明这个双星系统正在损失能量。根据广义相对论的预测，这个系统所损失的能量正是以引力波的形式辐射出去，并且观测数值与计算相符，这是人类第一次发现引力波存在的间接证据。这对师徒也因为这个发现获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

发现引力波存在的间接证据是一回事，在地球上直接探测引力波则是另外一回事，两者的难度完全不同。人类尝试在地球上直接探测引力波的努力可以追溯到20世纪五六十年代，马里兰大学的物理学教授约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）悬挂了多个高2米、直径1米的圆柱形铝块作为引力波探测器。韦伯相信，当引力波经过这个探测器时，会使铝块产生百万分之一纳米的形变，有可能引发铝块产生出可以被探测到的电信号。韦伯几次声称他通过这种引力波探测器探测到了引力波信号，但是因为没有其他人能够重复他的实验结果，这个结果始终没有得到科学界的承认。

人类对于引力波更加精密的探测始于激光干涉技术。莱纳·魏斯早在20世纪70年代就相信人类有可能通过精密的激光干涉技术在地球上探测到引力波，他也曾经亲自设计过激光干涉引力波探测器。几乎与此同时，基普·索恩和已经于2017年3月去世的英国物理学家罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）也在设计类似的引力波探测装置。1999年，由美国国家科学基金会投资建造的两个巨型激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）完工，这两个形状相同的各有一对相互垂直的长达4公里的悬臂的巨型引力波探测装置简称LIGO，彼此相隔3000公里，从2002年起开始进行引力波探测工作，有来自20多个国家的超过1000名科学家在这里工作。

從2002到2010年的引力波探测期间，LIGO并没有获得任何引力波的信号。科学家们并没有放弃，他们改造了LIGO，大幅提高了探测器的精度，LIGO也改名为“先进激光干涉引力波天文台”（aLIGO）。人类用这样的庞然大物，探测着宇宙时空不到一个质子宽度的变化，这不仅展示了人类在物理学领域的辉煌成就，也是工程学上了不起的奇迹。

美国加州理工学院的基普·索恩

通过灵敏度更高的探测手段，科学家们终于在2015年9月第一次接收到来自宇宙深处的引力波信号。经过几个月的数据分析，aLIGO的科学家们相信这个信号是距离地球13亿光年之外，两个中等质量的黑洞发生碰撞时所释放的引力波。引力波的强度虽然极其微弱，但是其频率恰好在人类的听觉范围以内，所以人们可以把引力波信号直接转换为声音信号播放，这样可以获得对于引力波这种宇宙时空的涟漪更为直观的印象。从这个角度来说，如果探测宇宙中的电磁波和高能粒子相当于人类望向宇宙的目光，那么在地球上的引力波探测器就相当于人类的耳朵，聆听来自宇宙深处细微的声音。只有通过不同的感官相互协作，人类才有可能真正地了解宇宙。

诺贝尔物理学奖只能授予个人而非某个集体或组织。引力波探测属于耗时耗资巨大、多人协作才得以完成的一项大科学研究。只有在21世纪的高精度工程建设、紧密的国际合作等各种条件支持下，人类才有可能完成aLIGO引力波探测这样复杂的科学项目。诺贝尔委员会想要从中选出三位具有代表性的科学家领取诺贝尔奖并非易事。莱纳·魏斯与基普·索恩是最早意识到人类有可能直接探测到引力波的物理学家，他们从20世纪70年代开始就积极地设计建造各种引力波探测天线，尽管经历了数十年的失败却始终没有放弃;巴里·巴里什从1994年起担任LIGO的主任，他把一个只有40人的研究小组转变为一个有上千人参与的国际合作项目，也正是他提出了提高天文台探测精度的“aLIGO计划”，使得探测到引力波信号成为现实。

这三位物理学家赢得物理学界的最高荣誉实至名归，但完成引力波探测而最终被人们铭记的，除了这几位获奖者之外，还应包括所有在aLIGO工作的科学家们。引力波探测算得上是人类对于已经有上百年历史的广义相对论的最终验证，这不是一个结束，而是一个开始。随着越来越多的引力波信号被探测到，引力波天文学正在成为现实。人类正在地面上或是在太空中建设更多的引力波探测装置，倾听来自宇宙深处的声音。宇宙那一层神秘的面纱正在被徐徐揭开。endprint

热门人选

诺贝尔物理学奖大概是最容易预测的诺贝尔奖项之一，而在2017年由三位致力于引力波探测的科学家获得此奖项也可以说是毫无悬念。根据诺贝尔物理学奖的评奖标准，此奖是颁给科学家的某一项成就，而非其终生成就，因此一些对于物理学有重大贡献的科学家也会与诺贝尔奖失之交臂，例如美国著名物理学家约翰·惠勒（John Archibald Wheeler）一生成就斐然，门下更是出了理查德·費曼（Richard Feynman）和基普·索恩（Kip Thorne）两位诺贝尔物理学奖得主，可他本人却从未获得过这项荣誉。而爱因斯坦因为其相对不重要的一项工作获得诺贝尔物理学奖也是人们多年来争论的话题。

每一年诺贝尔奖揭晓之前，汤森路透公司（Thomson Reuters Corporation）都会根据科学家的论文引用数量做出各个领域诺贝尔奖的预测，其准确率也相当高。它从2002年到2016年间预测的278人中已经有43人获得诺贝尔奖。虽然2017年度的诺贝尔物理学奖授予引力波探测属于众望所归，但根据汤森路透的预测，也有其他几组科学家是这个奖项的热门人选。虽然今年与之失之交臂，或许在未来的几年里仍有机会获得这项荣誉。

左图：美国麻省理工学院的莱纳·魏斯 右图：美国加州理工学院的巴里·巴里什

希腊化学物理学家，美国IBM公司研究员费顿·艾文瑞斯（Phaedon Avouris）;科内里斯·德克（Cornelis Dekker）荷兰代尔夫特科技大学卡弗里纳米科学研究所（Kavli Institute of Nanoscience）所长;保罗·麦克尤恩（Paul McEuen）康奈尔大学教授三人在碳基电子学（carbon-based electronics）领域做出了开创性的研究。

美国洛克菲勒大学教授米切尔·费根宝鲍姆（Mitchell J. Feigenbaum），在非线性和混沌物理系统做出了开创性的工作。

俄国物理学家拉希德·苏尼亚耶夫（Rashid A. Sunyaev）在人类理解宇宙的起源、星系的演化过程、黑洞吸积盘以及其他方面做出了重要贡献。endprint