傾聽宇宙的聲音

苗千

2017年10月3日，瑞典皇家科學院將本年度的諾貝爾物理學獎授予三位在引力波探測中做出杰出貢獻的科學家：來自麻省理工學院的萊納·魏斯（Rainer Weiss）將獲得二分之一獎金，來自加州理工學院的巴里·巴里什（Barry C.Barish）和基普·索恩（Kip S.Thorne）將各獲得四分之一獎金。

近些年來，本屆諾貝爾物理學獎的歸屬算得上是最沒有懸念，也最為眾望所歸的一次。這關系到人類對于廣義相對論一百多年來的不懈驗證，以及對于宇宙時空中所產生的極其細微的波瀾長達數十年的探索。

人類能夠把整個宇宙作為一個對象來研究，起源于1915年愛因斯坦發表廣義相對論。隨著對廣義相對論的認識逐漸深入，人類也逐漸開始理解整個宇宙的時空和物質之間相互作用要受到一套基本原則的約束。另一方面，通過推導和求解廣義相對論的方程，科學家們也得出了一些令人吃驚的結果，例如一些劇烈的天體活動可能導致時空本身產生振蕩，這種振蕩會以波的形式通過時空本身以光速傳播，這就是廣義相對論所預測的引力波。

愛因斯坦本人一開始并不相信引力波的存在，當他后來開始相信引力波確實可能存在，又因為這種時空的振蕩在地球上可能造成的效果太過微小而預測人類可能永遠都無法直接探測到引力波。盡管對于引力波的直接探測非常困難，但天文學家們首先通過宇宙觀測間接探測到了引力波的存在。1974年，美國天文學家約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）與他的學生拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）發現了一個脈沖雙星系統PSR 1913+16，這兩顆相互圍繞運轉的中子星的公轉周期不斷變小，說明這個雙星系統正在損失能量。根據廣義相對論的預測，這個系統所損失的能量正是以引力波的形式輻射出去，并且觀測數值與計算相符，這是人類第一次發現引力波存在的間接證據。這對師徒也因為這個發現獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

發現引力波存在的間接證據是一回事，在地球上直接探測引力波則是另外一回事，兩者的難度完全不同。人類嘗試在地球上直接探測引力波的努力可以追溯到20世紀五六十年代，馬里蘭大學的物理學教授約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）懸掛了多個高2米、直徑1米的圓柱形鋁塊作為引力波探測器。韋伯相信，當引力波經過這個探測器時，會使鋁塊產生百萬分之一納米的形變，有可能引發鋁塊產生出可以被探測到的電信號。韋伯幾次聲稱他通過這種引力波探測器探測到了引力波信號，但是因為沒有其他人能夠重復他的實驗結果，這個結果始終沒有得到科學界的承認。

人類對于引力波更加精密的探測始于激光干涉技術。萊納·魏斯早在20世紀70年代就相信人類有可能通過精密的激光干涉技術在地球上探測到引力波，他也曾經親自設計過激光干涉引力波探測器。幾乎與此同時，基普·索恩和已經于2017年3月去世的英國物理學家羅納德·德雷弗（Ronald Drever）也在設計類似的引力波探測裝置。1999年，由美國國家科學基金會投資建造的兩個巨型激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）完工，這兩個形狀相同的各有一對相互垂直的長達4公里的懸臂的巨型引力波探測裝置簡稱LIGO，彼此相隔3000公里，從2002年起開始進行引力波探測工作，有來自20多個國家的超過1000名科學家在這里工作。

從2002到2010年的引力波探測期間，LIGO并沒有獲得任何引力波的信號。科學家們并沒有放棄，他們改造了LIGO，大幅提高了探測器的精度，LIGO也改名為“先進激光干涉引力波天文臺”（aLIGO）。人類用這樣的龐然大物，探測著宇宙時空不到一個質子寬度的變化，這不僅展示了人類在物理學領域的輝煌成就，也是工程學上了不起的奇跡。

美國加州理工學院的基普·索恩

通過靈敏度更高的探測手段，科學家們終于在2015年9月第一次接收到來自宇宙深處的引力波信號。經過幾個月的數據分析，aLIGO的科學家們相信這個信號是距離地球13億光年之外，兩個中等質量的黑洞發生碰撞時所釋放的引力波。引力波的強度雖然極其微弱，但是其頻率恰好在人類的聽覺范圍以內，所以人們可以把引力波信號直接轉換為聲音信號播放，這樣可以獲得對于引力波這種宇宙時空的漣漪更為直觀的印象。從這個角度來說，如果探測宇宙中的電磁波和高能粒子相當于人類望向宇宙的目光，那么在地球上的引力波探測器就相當于人類的耳朵，聆聽來自宇宙深處細微的聲音。只有通過不同的感官相互協作，人類才有可能真正地了解宇宙。

諾貝爾物理學獎只能授予個人而非某個集體或組織。引力波探測屬于耗時耗資巨大、多人協作才得以完成的一項大科學研究。只有在21世紀的高精度工程建設、緊密的國際合作等各種條件支持下，人類才有可能完成aLIGO引力波探測這樣復雜的科學項目。諾貝爾委員會想要從中選出三位具有代表性的科學家領取諾貝爾獎并非易事。萊納·魏斯與基普·索恩是最早意識到人類有可能直接探測到引力波的物理學家，他們從20世紀70年代開始就積極地設計建造各種引力波探測天線，盡管經歷了數十年的失敗卻始終沒有放棄;巴里·巴里什從1994年起擔任LIGO的主任，他把一個只有40人的研究小組轉變為一個有上千人參與的國際合作項目，也正是他提出了提高天文臺探測精度的“aLIGO計劃”，使得探測到引力波信號成為現實。

這三位物理學家贏得物理學界的最高榮譽實至名歸，但完成引力波探測而最終被人們銘記的，除了這幾位獲獎者之外，還應包括所有在aLIGO工作的科學家們。引力波探測算得上是人類對于已經有上百年歷史的廣義相對論的最終驗證，這不是一個結束，而是一個開始。隨著越來越多的引力波信號被探測到，引力波天文學正在成為現實。人類正在地面上或是在太空中建設更多的引力波探測裝置，傾聽來自宇宙深處的聲音。宇宙那一層神秘的面紗正在被徐徐揭開。endprint

熱門人選

諾貝爾物理學獎大概是最容易預測的諾貝爾獎項之一，而在2017年由三位致力于引力波探測的科學家獲得此獎項也可以說是毫無懸念。根據諾貝爾物理學獎的評獎標準，此獎是頒給科學家的某一項成就，而非其終生成就，因此一些對于物理學有重大貢獻的科學家也會與諾貝爾獎失之交臂，例如美國著名物理學家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler）一生成就斐然，門下更是出了理查德·費曼（Richard Feynman）和基普·索恩（Kip Thorne）兩位諾貝爾物理學獎得主，可他本人卻從未獲得過這項榮譽。而愛因斯坦因為其相對不重要的一項工作獲得諾貝爾物理學獎也是人們多年來爭論的話題。

每一年諾貝爾獎揭曉之前，湯森路透公司（Thomson Reuters Corporation）都會根據科學家的論文引用數量做出各個領域諾貝爾獎的預測，其準確率也相當高。它從2002年到2016年間預測的278人中已經有43人獲得諾貝爾獎。雖然2017年度的諾貝爾物理學獎授予引力波探測屬于眾望所歸，但根據湯森路透的預測，也有其他幾組科學家是這個獎項的熱門人選。雖然今年與之失之交臂，或許在未來的幾年里仍有機會獲得這項榮譽。

左圖：美國麻省理工學院的萊納·魏斯 右圖：美國加州理工學院的巴里·巴里什

希臘化學物理學家，美國IBM公司研究員費頓·艾文瑞斯（Phaedon Avouris）;科內里斯·德克（Cornelis Dekker）荷蘭代爾夫特科技大學卡弗里納米科學研究所（Kavli Institute of Nanoscience）所長;保羅·麥克尤恩（Paul McEuen）康奈爾大學教授三人在碳基電子學（carbon-based electronics）領域做出了開創性的研究。

美國洛克菲勒大學教授米切爾·費根寶鮑姆（Mitchell J. Feigenbaum），在非線性和混沌物理系統做出了開創性的工作。

俄國物理學家拉希德·蘇尼亞耶夫（Rashid A. Sunyaev）在人類理解宇宙的起源、星系的演化過程、黑洞吸積盤以及其他方面做出了重要貢獻。endprint