【博科园-科学科普】北京时间2017年1月3日诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（KipThorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）以表彰他们在引力波的研究和发现上做出的开拓式贡献！
计算机模拟利用Kip Thorne和其他许多人开发的先进技术让我们得以模拟出由合并黑洞产生的引力波所产生的预测信号。图片：Werner Benger, cc by-sa 4.0
广义相对论预言引力波100多年的时间里于2015年初探到引力波信号，2017年的诺贝尔物理学奖颁发给了Rainer Weiss(1 / 2奖金)、Kip Thorne(1 / 4奖金)和Barry Barish(1 / 4奖金)。韦斯最初设想一位实验者使用干涉为，索恩理论家曾帮助梳理各种天体物理现象产生的信号，巴里什领导LIGO的大师在1990年代及以后的发展至关重要，然而他们只是参与计划、建造和LIGO协作的众多参与者中的三个，这是2015年第一次直接探测到引力波的涟漪。
尽管所有的荣耀都要追溯到1000多名LIGO的成员在其40多年的历史的努力和贡献，但从实验上探测引力波的故事可以追溯到更远的时代。2017年的诺贝尔奖是理论和实验工作的高潮，可一直追溯到爱因斯坦。
2015年地球上第一次探测到太空中的“涟漪”，这是由强大的引力场产生的。这标志着诺贝尔奖历史上科学发现与诺贝尔奖之间最短的时期之一，尽管LIGO在这方面研究了40年。图片：LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team
当广义相对论第一次发表时提出了一种看待宇宙的新方法：在时空结构中存在物质和能量。物质和能量告诉时空如何弯曲，弯曲的时空依次告诉物质和能量如何运动。这个新理论产生的一系列原因很快就得到了解释，其中也包括黑洞的存在，这一事实即质量像一个引力透镜，需要一个膨胀的或收缩的宇宙，以及一种新型辐射的存在——引力辐射。当一个巨大的粒子穿过空间的时候，曲率从一个点改变到另一个点，它别无选择只能发射引力波来保存能量和动量，但这些过程细节要求得到解决解释。
随着来自遥远引力波的空间涟漪穿过我们的太阳系，包括地球并会稍微压缩并扩大周围的空间。在2010年中期第一次成功地发现了它们。图片：European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS
爱因斯坦本人第一次预测引力波是他的理论的结果，然后回溯并说服自己引力波不可能存在。在20年的反复思考后，爱因斯坦在20世纪30年代与内森·罗森(Nathan Rosen)写了一篇论文，认为引力波仅仅是广义相对论的数学产物。这篇论文被《物理评论》(Physical Review)拒之门外，因为有四名科学家之一的审稿人霍华德·罗伯逊(Howard Robertson)在他们的作品中发现了严重的错误。
争论持续到20世纪50年代，罗森认为引力波没有能量，因此没有物理作用。但费利克斯·皮拉尼(Felix Pirani)、理查德·费曼(Richard Feynman)和赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)证明了他们的做法，但现在的关键是预测和检测到引力波？
引力波在一个方向上传播，在相互垂直的方向上交替扩张和压缩空间，这是由引力波的偏振所定义的。图片：M. Pssel/Einstein Online.
在理论方面已经清楚地知道引力波的性质，它如何传播，交替压缩和扩大垂直方向的空间，以及携带多少能量。最强烈的波是在最强烈弯曲的太空时代，最快速的运动产生的最强烈的波：在像白矮星、中子星和黑洞这样的坍缩的物体附近。
数字相对论的发展包括对牛顿定律的扰动膨胀，这些定律包含了这些强磁场效应，使科学家能够计算出哪个系统会产生引力波，以及在很大程度上随着超级计算机的发展，预测引力波波形的模型越来越多，也越来越精确。
约瑟夫·韦伯的早期引力波探测器，图片：Special collections and university archives, University of Maryland libraries
在实验的最后约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)率先开创了探测引力波的系统：一系列在真空中放置的共振棒，对穿越太空的特定频率的引力波非常敏感。尽管韦伯在20世纪60年代就声称发现了引力波，但他的研究结果却无法重现，这与预测的波动范围相去甚远。
另外就是引力波的间接证据来自于脉冲星——快速旋转的中子星和环绕其他中子星。当这两个紧密的物质围绕着彼此旋转时，它们的周期就会衰减，那么能量到哪里去了？事实证明引力波是即能量被带走的证据。
在强弯曲的空间轨道上随着多重质量的存在，通过这个弯曲空间的运动使能量以引力波的形式释放出来。在LIGO直接探测到这些波之前的几十年里对脉冲星时间的间接影响是很明显的。这些空间的涟漪需要是真实的，而且需要携带真正的能量！图片来源：美国航空航天局（L），马克斯·普朗克射电天文学研究所/ Michael Kramer
罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在24年前获得了诺贝尔奖，因为他们在第一个双星脉冲星上的研究成果是在20世纪60年代和70年代完成的。早在20世纪70年代LIGO的创意来自于此。
只要有引力波通过，空间会在一个维度上扩展，同时在一个垂直的维度上收缩来回振荡，Rai Weiss最初设想使用干涉仪来检测，并在早期设计和仪器技术中做出了不可思议的贡献，维斯今年获得了一半的奖金。
美国华盛顿州的LIGO汉福德天文台检测引力波是今天运行的三个运行探测器之一，以及位于洛杉矶利文斯顿的双子座和现在在意大利在线运行的VIRGO探测器。图片来源：加州理工学院/ MIT / LIGO实验室
索恩是一名理论倡导者也是数字作品的先驱之一，可以让各种系统如LIGO最终看到的合并黑洞产生引力波的预测。如果没有对每个系统应该产生什么信号的精确预测，就不可能知道在噪音中应该寻找什么信号。与此同时巴里·巴里什(Barry Barish)是引力波探测器的主要建造者，也是把LIGO从一个想法转变成令人难以置信的一系列天文台的推动力量。
1994年他接手了这个项目，让这个摇摇欲坠的想法复活了，并把它变成了一组探测器，让人印象深刻的是他们可以探测到10亿光年之外的黑洞合并。索恩和巴里什分享了诺贝尔奖的另一半。
雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）是2017年诺贝尔物理学奖得主。图片版权：Nobel Media AB 2017
对引力波的探测不仅值得获得诺贝尔奖，而且改变了我们对天文学中可能发生的事情的认识。在世界各地建立多个探测器，可以精确定位光源的位置，也可以检测探测器之间的时间延迟，确认引力的速度等于光速，还可以测量信号的方向/偏振以及更多。
随着引力波天文学变得越来越精确，越来越多的探测器的建造诞生，黑洞将在未来被探测到，随着引力波天文学的越来越精确而可以探测到更低质量事件的合并。最终即使是中子星和其他发光的来源也会直接探测到它们产生的引力波，从而开启了一个引力波和传统的以望远镜为基础的天文重叠的时代。
Kip Thorne,Ron Drever和Robbie Vogt，LIGO的第一个领导者，从Barry Barish接手并把LIGO变成了令人难以置信的天文观测站。图片来源：加州理工学院档案馆
2017年诺贝尔物理学奖已经颁给了三位为科学事业做出杰出贡献的人，但这个故事的意义远远不止于此。这是关于100多年来的所有在理论上和实验上都对宇宙的精确运行做出了贡献的人。科学不仅仅是一种方法，它是整个人类积累的知识，聚集并综合起来的运用以更好的创造我们的人类文明！
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
