引力波的直接探测——2017年诺贝尔物理学奖简介

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引力波的直接探测
——2017年诺贝尔物理学奖简介

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1 2017年诺贝尔物理学奖揭晓

2017年诺贝尔物理学奖揭晓，美国的雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)以及巴里·巴里什(Barry Clark Barish)因直接探测到了引力波而获奖．

2016年2月12日，激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，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倍太阳质量的黑洞与一个29倍太阳质量的黑洞的碰撞，然后并合为一个62倍太阳质量的黑洞，失去的3倍太阳质量转化为引力波的能量．2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先后3次探测到黑洞合并产生的引力波．

2 获奖人简介

图1 雷纳·韦斯

雷纳·韦斯(Rainer Weiss，图1)，1932年在德国柏林出生，现年85岁．为了躲避政治动荡，一家在1932年末搬家到布拉格，后在1938年搬家到美国．他年轻时在纽约市度过，曾就读于哥伦比亚文法学校．他在1955年获得麻省理工学士学位和1962年获得麻省理工学院博士学位．他于1960至1962年执教于美国塔夫斯大学，1962至1964年是普林斯顿大学的博士后学者，后于1964年加入麻省理工任教．

图2 基普·索恩

基普·索恩(Kip Stephen Thorne，图2)，1940年出生在美国犹他州的洛根市，现年77岁．父亲维恩·索恩是农艺学专家，母亲艾莉森·索恩是经济学家．索恩早年在学术道路上顺风顺水，成为了加州理工历史上最年轻的正教授之一．他于1962年获得加州理工的学士学位，在1965年获得普林斯顿大学的博士学位．1967年索恩回到加州理工被聘任为副教授，3年后晋升为理论物理的教授．

图3 巴里·巴里什

巴里·巴里什(Barry Clark Barish，图3)，1936年出生在美国内布拉斯加州的奥马哈，现年81岁．他在南加州长大，高中就读于洛杉矶．1957年获得物理学学士，1962年获得加州大学伯克利分校的实验高能物理的博士学位．1963年他加入加州理工．巴里什在美国自然科学基金会国家科学委员会批准资助该项目中发挥了重要作用，并对LIGO的建造和交付使用发挥了重要作用．

3 引力波存在的间接验证

1915年，爱因斯坦发表广义相对论，并在随后的几年预言引力波的存在，但因为引力波传播到地球时太微弱了，在预言的60年里，有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力，但都失败了．直到1974年才得到引力波存在的间接实验证据.

1974 年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星，他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星,如图4所示．根据广义相对论，该双星系统会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5 μs，轨道半长轴每年减少3.5 m，预计大约经过3亿年后发生合并．自1974年，泰勒和赫尔斯对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测，观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好，这间接证明了引力波的存在．泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖．

图4 发射引力波的双星系统

4 引力波的直接探测

美国当地时间2016年2月11日上午10点30分，美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波！

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的，如图5所示．

图5 发射引力波的两颗黑洞

两颗黑洞的初始质量分别为29倍太阳和36倍太阳，合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到．

“激光干涉引力波天文台”(LIGO，图6)的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长均为4 000 m．在两臂交会处，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉．若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度会略为变长,而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差发生变化，因此激光干涉条纹就会发生相应的变化．

图6 发现引力波的激光干涉天文台

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿，彼此相距3 000 km．只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波．LIGO于1999年初步建成，2002年开始运行．

2007年，LIGO进行了一次升级改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等．升级后的LIGO被称为“增强LIGO”．2009年7月，增强LIGO开始运行直到2010年10月结束．

在2002年到2010年期间，LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据．

2010年，LIGO进行了为期5年的重大升级改造，改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍，被称为“先进LIGO”．2015年9月18日，先进LIGO开始试运行．第一次探测到的引力波是LIGO于2015年9月14日探测到的．以后的3次则是用“先进LIGO” 探测到的．