40多年1000多人的努力造就了2017年的物理諾獎

原文以Gravitational wave detection wins physics Nobel為標題

發布在2017年10月3日的《自然》新聞上

原文作者：Davide Castelvecchi

左：萊納·魏斯（Rainer Weiss），中：巴里·巴里什（Barry Barish），右：基普·索恩（Kip Thorne）。

Left: Caltech. Centre: Bryce Vickmark/MIT. Right: Caltech Alumni Assoc.

三名物理學家因在首次探測引力波的工作中作出了突出貢獻，而榮獲2017年諾貝爾物理學獎。

他們分別是麻省理工學院的萊納·魏斯、加州理工學院的巴里·巴里什和基普·索恩，三人將共享900萬瑞典克朗（約合110萬美元）的獎金，用以表彰他們在美國激光干涉引力波天文台（LIGO）所取得的成就。2015年9月，LIGO探測到了兩個遙遠的黑洞碰撞時所造成的時空扭曲。

這項發現於2016年2月對外公布，讓科學家能夠聽到宇宙中一些劇變事件所發射出的時空振動，由此開啟了一個嶄新的天文學領域。該發現也驗證了阿爾伯特·愛因斯坦一個世紀前就預測到的引力波的存在。

LIGO的創始人被稱為「三劍客」，其中兩位正是魏斯和索恩，他們在路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德分別建造了LIGO的兩台巨型探測器。「三劍客」中的第三人是朗納·德瑞福，今年3月7日去世。巴里什從1997到2005年任LIGO主任，被公認為是將一個樣本混亂的合作項目變得高效順暢的功臣。

「我把這次獲獎看作是對上千人工作的認可。我們孜孜不倦地努力了——我真不想說——40年了。」魏斯在獲獎後接受諾貝爾獎委員會採訪時說。

「我們很高興看到他們能獲得認可。他們已經在這上面幹了好幾十年了。」路易斯安那州立大學的加布麗娜·貢薩雷斯說。她是LIGO的成員，也是該項目的前發言人。雖然諾貝爾獎最多只能頒發給三個人，但是諾獎委員會在新聞發布會上強調，還有很多其他人對LIGO做出了貢獻。

自從去年宣布探測到引力波開始，研究者們就已經普遍猜測諾獎委員會會把獎頒發給LIGO團隊了。「我很高興他們頒給了正確的三個人，」馬里蘭大學研究廣義相對論的物理學家查爾斯·密斯納說。諾貝爾獎的一半頒發給了魏斯，另一半則平分給了巴里什和索恩。

兩個黑洞碰撞而產生引力波的計算機模擬圖。

The SXS Project

不受阻礙的運動

即使在LIGO發現引力波之前，也沒有幾個物理學家會懷疑引力波的存在。時空扭曲是愛因斯坦廣義相對論的自然結論，會在宇宙中幾乎不受阻礙地傳播。1974年，研究者們通過一對中子星融合時所發射出的電波信號間接證實了它的存在：信號周期的變化恰好吻合引力波帶走能量的預測。這項研究獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

直接觀測到引力波本身則是另一項宏偉的工程。即使是最大的扭曲——也就是星體坍縮或黑洞碰撞時所產生的扭曲——在到達地球時一般也會變得十分微小。2015年所發現的引力波讓LIGO 4公里長的L型真空管道拉伸和壓縮了不到一個質子的長度，但這已經足夠讓管道內的激光產生可探測到的時間差了。

美國和前蘇聯的物理學家於20世紀60年代首次提出了使用激光干涉儀探測引力波的方法。魏斯於1972年第一個對干涉儀的原理作了詳盡的計算。這個想法當時顯得有些牽強，就連魏斯也不確定能不能成功。「可能研究個一年左右我們就會意識到這個方法不划算，」他當時向科學社會學家哈利·柯林斯（Harry Collins）這麼說。

魏斯1932年出生於德國，1938年和家人一起為了逃離納粹而移民到了美國。他在20世紀70年代中期建了第一個干涉儀的原型，很快歐洲的研究者們也開始造了，這之中就包括了英國格拉斯哥大學的德瑞福團隊，以及另外一個德國慕尼黑的團隊。

索恩1940年出生於猶他州，父母是摩門教徒。他的專業是廣義相對論，對引力波有著自己的思考。在1975年華盛頓特區的一次會議上，索恩和魏斯因為酒店超額預定而住進了同一個房間。魏斯說服索恩干涉儀是正確的做法。索恩、魏斯和德瑞福於20世紀80年代早期開始合作。當時美國國家科學基金會明顯不可能資助兩個獨立的這類項目，LIGO合作項目就這樣誕生了。

巨大的變化

「三劍客」並不是從一開始就合作順利的，而他們也承認本身缺乏管理這個規模迅速龐大起來的項目的能力。巴里什參與之後情況有了顯著改善。他於1994年成為LIGO的PI，1997年成為主管。柯林斯仔細研究了這個合作項目好幾十年，他說是巴里什把LIGO變成了一個「大科學」項目。如果沒有巴里什來扭轉局面，LIGO可能已經垮掉了。

最早的LIGO還很難獲得資助，到最後卻成為了美國國家科學基金會有史以來資助的規模最大、最貴的實驗。它的兩台幾乎一樣的探測器於2002年首次啟動。當然了，第一階段所收集的數據幾乎不可能發現任何東西。該天文台2010年關閉，進行了大幅改造，於2015年9月重新啟動，靈敏度是之前的三倍。

朗納·德瑞福是LIGO的創始人之一，2017年3月去世。

Bob Paz/Caltech Archives

研究者們對幾年之內作出發現抱持謹慎的樂觀態度，不過宇宙待LIGO不薄，9月14日就送了它一個大型事件。當時干涉儀還在調整當中，距預定的正式運行日還有好幾天。在那之後，LIGO又探測到了至少三次引力波事件——最近的一次由義大利比薩附近的一個類似的干涉儀Virgo同時探測到了。

LIGO團隊也受惠於其他一些國家的科研努力。德國和英國都提供了資助和研究。德國漢諾威附近的一個小型干涉儀GEO600為美國的「大哥」提供了主要的技術測試平台。

三名獲獎者都有其他成就加身。在LIGO之外，魏斯還是宇宙背景探測者（COBE）的首席科學家之一，這是美國國家航空航天局（NASA）的一個探測器，於20世紀90年代提供了第一幅宇宙微波背景圖，也就是大爆炸留下的「光」。（COBE的另外兩名研究員於2006年共同獲得了諾貝爾物理學獎。）

索恩除了引力波的前沿研究以外，還是2014年電影《星際穿越》的執行製作人之一，幫助構思了電影劇情的原始創意。加入LIGO之前，巴里什在伊利諾伊州巴達維亞的費米國家實驗室參與過中微子實驗。他還領導設計了擬議的國際線性碰撞器（ILC）。

這次諾貝爾獎被大家公認是索恩和魏斯的囊中之物。在德瑞福於3月去世之前，「三劍客」包攬了所有能頒給他們的獎項，其中包括一項300萬美元的基礎物理學突破獎，50萬美元的格魯伯宇宙學獎，120萬美元的邵逸夫天文學獎，以及100萬美元的卡弗里天體物理學獎。

Naturedoi:10.1038/nature.2017.22737

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