「引力波」探測獲2017年諾貝爾物理獎！人類離星際穿越還有多遠？

新聞 10-05

還記得2016年2月11日23點30分，美國國家科學基金會（NSF）在華盛頓特區國家媒體中心宣布：人類首次直接探測到了引力波這個驚天大消息嘛！當時這則消息曾引發科學界的轟動，而

就在剛剛，他們三明科研人員也獲得了

2017年的諾貝爾物理學獎，真是可喜可賀，一起和主頁君看看~

From 極客公園

微信號：geekpark

沒有意外，

2017 諾貝爾物理學獎給了引力波發現者

。

今年下午，瑞典皇家科學院宣布將 2017 年度諾貝爾物理學獎授予美國的 Rainer Weiss、Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish，用以表彰他們在引力波研究方面的貢獻。獎金的一半給了 Rainer Weiss，另一半由 Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish 分享。

LIGO 是一個由二十多個國家的一千多名研究人員合作的項目

，他們一起實現了近五十年來的願景。評委會認為，2017 年諾貝爾物理學獎得主的熱情和決心對 LIGO 的成功是無價的，他們一起經過數十年的努力，最終發現了引力波。

首先，讓我們來聽一聽引力波的聲音。下面為LIGO 的 Hanford 觀測台負責人 Michael Landry 做客 2017 年的極客公園創新大會（GIF）時的視頻。

引力波傳播示意圖

在 20 世紀早期，愛因斯坦提出了廣義相對論理論，解決了在牛頓的理論體系下一些無法解釋的問題，並基於該理論提出了一些看上去很怪異的預測，比如說星光彎曲、黑洞的存在、大爆炸以及引力波。

引力被認為是時空彎曲的一種效應，這種彎曲是因為質量的存在而導致

。通常而言，在一個給定的體積內，包含的質量越大，那麼在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。

當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率產生變化，並且能夠以波的形式向外以光速傳播。

關於引力波最形象的描述可能就是「時空漣漪」了。宇宙中，兩個質量極大的物質（比如黑洞）相互高速地環繞，會讓周圍的時空產生一陣陣的「漣漪」。

就像在平靜的水面丟下一個小石塊，水面會有一圈圈的波紋向外擴散，這時候

水面就是時空，水的波紋就是引力波

。

當一個引力波通過一個觀測者的時候，因為應變 (strain) 效應，觀測者就會發現時空被扭曲。當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少，這個頻率對應了引力波的頻率。

不過，引力波的驗證史極其曲折，甚至連愛因斯坦本人都一度懷疑引力波的存在。1916 年和 1918 年，愛因斯坦先後發表了兩篇關於引力波的論文，但到了 1936 年，

他卻忽然對引力波失去了信心，宣稱引力波並不存在

。

幸虧當時接到他投稿的《物理評論》找了普林斯頓大學副教授霍華德·羅伯遜審稿，羅伯遜委婉地指出了論文中的錯誤並提出了適當的修改方案，雖幾經波折，但愛因斯坦最終還是修改了論文，弱化了他對引力波存在與否的消極看法。

兩個互相吸引的黑洞-示意圖

如果可以找到引力波，可以再一次驗證愛因斯坦廣義相對論的正確性，但問題是引力波太微弱了，可以產生巨大引力波的中子星、黑洞距離我們非常非常遙遠，引力波的直接探測極其困難。

直到 2016 年 2 月 11 日，LIGO 科學合作組織宣布，他們於幾個月前成功探測到來自於兩個黑洞合併的引力波信號。這是過去一年裡科學界最重大的突破之一，

引力波的發現標誌著人類在太空探索的路途上邁出了里程碑式的一步

。

LIGO 位於華盛頓州漢福德的探測器

LIGO 是探測引力波的一個大規模物理實驗和天文觀測台，在美國華盛頓州的漢福德（Hanford）與路易斯安那州的利文斯頓（Livingston），分別建有激光干涉探測器。它由美國國家科學基金會（NSF）資助，加州理工學院與麻省理工學院的物理學者 Kip S. Thorne、Ronald W. P. Drever 和 Rainer Weiss 領導創建。

上世紀 70 年代，科學家提出了使用激光干涉儀探測引力波的方法，而激光干涉儀也是 LIGO 以及世界上其它引力波探測站目前正在使用的探測方法，它的原理大致如下。

首先從激光器中發射出一束頻率非常穩定的激光，這一束激光先通過分光鏡，然後被分為兩束強度相同的激光，這兩束激光分別進入兩個互相垂直的干涉臂（LIGO 建造了兩個 4 公里長的真空管道），激光光束在抵達盡頭後，會通過鏡片反射回來，然後在分光鏡的位置相遇，在這裡會有一個輸出埠，用於讀出這兩束激光合併在一起、產生干涉後的光強。