关于引力波你需要知道这些 天文学的新时代正在开启

　　来源：中科院物理所公众号　
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　　北京时间10月3日17点45分，万众瞩目的2017年诺贝尔物理学奖揭晓。本次的获奖者为雷纳·韦斯 （Rainer Weiss），巴里·巴里什（Barry Clark Barish），基普·索恩（Kip S Thorne），以表彰他们对LIGO探测装置的决定性贡献以及探测到引力波的存在。

　　图|左起：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry Clark Barish）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）
　　雷纳·韦斯 （Rainer Weiss）
　　雷纳·韦斯（Rainer Weiss），1932年出生于德国，麻省理工学院（MIT）物理学家，1966年便设想出一种探测引力波的方法，2015年9月1000名利用激光干涉引力波天文台（LIGO）开展研究的物理学家在两个巨大黑洞位于距地球10亿光年的地方相互围绕着旋转时，探测到其辐射出的脉冲波。2016年9月6日，获得卡弗里天体物理学奖；2016年9月21日，入选2016年引文桂冠奖名单。2016年9月21日，获得“复旦-中植科学奖”物理学奖；2016年9月27日，获得邵逸夫天文学奖。2016年12月，获得特别基础物理奖。雷纳·韦斯发明的激光干涉引力波探测器是LIGO装置的基础。他首次分析了探测器的主要噪声来源，并领导了LIGO仪器科学的研究，最终使LIGO达到了足够的灵敏度。韦斯不仅在引力波方面为天文学做出了巨大的贡献，他还是宇宙微波背景辐射热谱测量方面的专家，2006年赢得诺贝尔奖的COBE项目，他就是当时科学工作组的主席。
　　巴里·巴里什（Barry Clark Barish）
　　Barry Barish，实验物理学家，1936年生于美国奥马哈市，1962年获得加州大学伯克利分校高能实验物理博士学位，1963年加入加州理工学院。1994年担任LIGO PI，1997年成为LIGO主任，并创建LIGO科学联盟。巴里·巴里什领导了LIGO建设及初期运行，建立了LIGO国际科学合作，他把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学，最终使引力波探测成为可能。
　　基普·索恩（Kip S Thorne）
　　基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne）是美国理论物理学家。1940年6月1日出生于洛根。1984年索恩与其他人合作创建了LIGO计划，这成为了美国国家科学基金会投资的最大项目。2016年9月6日，获得卡弗里天体物理学奖；2016年9月21日，入选2016年引文桂冠奖名单；2016年9月21日，获得“复旦-中植科学奖”物理学奖；2016年9月27日，获得邵逸夫天文学奖。基普·索恩奠定了引力波探测的理论基础，他开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向，并对LIGO仪器科学做出了重要贡献，特别是提出了量子计量学理论的一系列基本概念。
　　关于引力波你需要知道这些
　　2016 年 2 月 11日，在爱因斯坦预测引力波存在的100 年之后，LIGO宣布人类首次探测到了引力波。13亿年前，两个黑洞并合，其搅动时空产生的引力波信号开始了漫漫的星际旅途；2015年9月14日，刚刚升级完毕的LIGO捕捉到了这个信号，并将之命名为GW150914。目前，人类已经分别在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观测，在最近一次引力波的观测中，由位于美国和意大利的三处天文台同时观测到这种黑洞融合现象。

　　引力波动画示意 图片来源：NASA
　　1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，并在次年首次预言了引力辐射——引力波的存在。当有质量的物体的空间分布发生一些特定变化时，就会引起时空的波动，向外界辐射能量，这就是引力波。他指出，与电磁辐射的最主要贡献来源于电偶极矩不同，引力波辐射的最主要贡献来源于质量的四极矩。一般来说，由于四极矩形变要比偶极矩小很多，再加上引力的耦合常数——万有引力常数G 的数值非常小，所以引力波的观测非常困难。因此直到一个世纪之后的2015年9月14日，引力波才第一次被LIGO合作组所观测到。

　　LIGO装置实拍图  图片来源：LIGO
　　LIGO的全称是激光干涉仪引力波天文台，是加州理工学院主导，与麻省理工大学合作的引力波观测试验组。它的本质其实就是我们高中物理中曾学过的迈克尔逊干涉仪。当引力波经过时，干涉仪的双臂长度会有微小的改变，导致产生光程差，科学家们再通过精密测量技术，在各种噪声中将微弱的信号捕捉出来。由于探测到的引力波信号可能与传播的方向有关，LIGO建造了两个位于不同位置的观测站。

　　LIGO的三位联合创始人  图片来源网络
　　LIGO的三位联合创始人，雷纳·维斯（RainerWeiss）、吉普·索恩（Kip Thorne）和罗纳德·德雷弗（RonaldDrever）在LIGO的设计和运作中居功至伟，这也一度使他们成为了获诺贝尔奖呼声最高的人选。不幸的是德雷弗于今年3月7日因病逝世。

　　eLISA装置构想图  图片来源：NASA
　　LIGO的成功探测极大地激发了各国对引力波探测项目的兴趣。除LIGO外，现有的引力波研究装置还有位于德国的GEO600，位于意大利的Virgo和日本的KAGRA。我国的“太极计划”和“天琴计划”和“阿里实验计划”也正在开展。LIGO在设计时是专门针对探测双中子星或双黑洞系统产生的引力波的频率而设计的，而空间探测装置（如计划中的eLISA）相比LIGO这样的地面装置探测而言，可以设计更远的干涉臂长，所以能够探测更低频段的信号，而更多的天体活动产生的引力波都属于这一频段。所以，空间探测计划会预期比地面装置探测到更多的事例。引力波的信号记录着宇宙中遥远天体活动的信息，是我们认知这些神秘天体的有力途径，引力波的成功探测标志着一个引力波天文学的新时代正在开启。
　　近十年诺贝尔物理学奖情况
　　2016年诺贝尔物理学奖被授予David J。 Thouless、F。 Duncan M。 Haldane和J.Michael Kosterlitz以奖励他们在拓扑相和拓扑相变方面的杰出贡献。了解详情请点击这里。
　　2015年诺贝尔物理学奖被授予日本科学家梶田隆章和Arthur B。 McDonald以表彰他们分别发现了大气中微子和太阳中微子的振荡，证明了中微子有质量。
　　2014年诺贝尔物理学奖被授予日本科学家赤崎勇、日裔美国科学家中村修二（60岁）及日本科学家天野浩。他们开发了蓝色发光二极管（LED），使节电的高亮度照明器材成为可能，极大改变了人们的生活，并因此受到高度评价。
　　2013年诺贝尔物理学奖被授予比利时理论物理学者Fran?ois Englert和英国理论物理学家Peter W。 Higgs，两人因预测被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在而获奖。
　　2012年诺贝尔物理学奖被授予法国科学家Serge Haroche与美国科学家David J。 Wineland，两位物理学家分别因为在量子光学领域束缚并用原子操控光子的量子态和束缚并用光子操控带电离子的量子态而获奖。
　　2011年诺贝尔物理学奖被授予Saul Perlmutter， 以及Brian P。 Schmidt 和Adam G。 Riess一组合作者，表彰他们通过观察远处超新星发现宇宙的加速膨胀。
　　2010年诺贝尔物理学奖被授予英国曼彻斯特大学科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业的再次革命。
　　2009年诺贝尔物理学奖被授予英国华裔科学家高锟及美国科学家Willard S。 Boyle和George E。 Smith。高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就。后两者发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器。
　　2008年诺贝尔物理学奖被授予美国科学家Yoichiro Nambu和两位日本科学家小林诚、利川敏英。Yoichiro Nambu因为发现粒子物理中的对称性自发破缺机制而获奖，日本科学家小林诚、利川敏英因发现对称性破缺的来源而获此殊荣。
　　2007年诺贝尔物理学奖被授予法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg，表彰他们先后独立发现了“巨磁电阻”效应。
　　素材来源：
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