LIGO三剑客荣获诺贝尔物理学奖, 中国学者共享荣光 |火线专访

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LIGO三剑客荣获诺贝尔物理学奖, 中国学者共享荣光 |火线专访

2017 年 10 月 3 日 知社学术圈 知社

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知社学术圈斯德哥尔摩快讯，北京时间10月3日下午5点45分，瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予LIGO三剑客Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，表彰他们在人类首次探测到引力波的卓越贡献。

遗憾的是，LIGO联合创始人Ronald Drever教授已于2017年3月7日去世，未能见证这一荣耀时刻。

多名中国学者在LIGO团队为引力波探测做出重要贡献并在人类首次探测到引力波的PRL论文署名，如清华大学曹军威团队、其中包括湖北第二师范学院范锡龙博士，以及Kip Thorne 学生，毕业于北京大学的加州理工学院陈雁北教授，和毕业于中国科大的西澳大学温琳清教授。

请看知社火线深度报道并在文末下载相关论文，其中第一篇是Weiss没有影响因子的内部报告。Thorne说：Rainer非常谦虚，他觉得在探测到引力波以前，他不应该在常规刊物上发表这些东西。所以他选择在麻省理工的内部报告上发表了他的文章，那是我所读过的最具技术含量的一篇硬货。并附陈雁北教授独家专访和Kip Thorne特别访谈。

Kip Thorne （基普·索恩）, 理论物理学家，1940年出生于美国犹他州，1965年于普林斯顿大学获得物理学博士学位，1966-2009年在加州理工学院工作，曾任费曼理论物理学教授。索恩也是很多毕业于加州理工学院的著名理论物理学家的导师或论文指导教授。他2009年6月退休后前往好莱坞从事电影创作，参与的第一部电影即为大家熟知的“星际穿越”。索恩的主要研究领域为相对论天体物理学和引力物理。是公认的相对论研究权威之一。他最为世人所知的研究是虫洞可用于时间旅行。除此之外他在科普方面的能力与贡献亦为人称道。知社此前曾深入报道索恩的科学艺术人生，点击可以阅读：

基普·索恩: 科学与艺术的跨界达人

Rainer Weiss（莱纳·魏斯），实验物理学家，1932年出生于德国柏林，1962年于麻省理工学院获得博士学位。1960-1962年曾在塔夫茨大学工作，之后返回麻省理工学院并工作至今。魏斯在物理学的多个领域都有建树，包括原子物理、激光物理和天文学。特别是他对于宇宙微波背景辐射谱的测量属于开创性工作。他是引力波干涉仪探测器的发明人之一并参与共同创建LIGO。知社曾报道Rainer Weiss的青葱岁月与传奇人生，点击可以阅读：

LIGO之父的传奇人生, 下周他会再失诺贝尔吗?

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。去年9月诺奖周前，Science杂志曾发表长文，题为Will Nobel Prize overlook master builder of gravitational wave detectors? 为Barish诺奖造势。文章写道：

Barish, a particle physicist at Caltech, didn’t invent LIGO, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. But he made it happen.

Barish自己也说：

I think there’s a bit of truth that LIGO wouldn’t be here if I didn’t do it, so I don’t think I’m undeserving.

今天，他终于如愿以偿！

在这个荣耀的日子，我们也不应该忘记Ronald Drever（罗纳德·德雷弗），实验物理学家，1931年出生于苏格兰，1958年于英国格拉斯哥大学获得博士学位，1960-1969年在格拉斯哥大学任教，后前往加州理工学院任物理学教授，于2002年退休任物理学荣誉教授，2017年3月7日去世。德雷弗在实验方面有着非凡天赋，按其兄弟的说法，拥有“能修好任何东西的能力”。他在许多实验物理学领域都有重要贡献。他在1983年联同R. V. Pound和John L. Hall发明了以他们名字命名的应用广泛的 PDH稳频技术。从1972年开始他的主要研究精力用于引力波探测器，并在设计与安装运转LIGO干涉仪装置上做出了卓越贡献。

诺贝尔奖公布之后，知社第一时间连线加州理工学院陈雁北教授，以下是陈教授的感言：

我认为引力波探测是一个非常重要的工作，必须得奖！

从物理学本身来讲，引力波是广义相对论特别重要的一个预言。在广义相对论中，引力产生于“时空”的弯曲，而引力波，是时空弯曲度在宇宙中的传播。只有在实验上确立引力波的物理性质，才能完整的验证广义相对论。之前虽然也有天体物理观测验证了双星系统会因为辐射引力波而损失能量，这次的直接探测，不但说明了引力波的确会在时空中传播，并且也验证了引力波和实验室中的光和物质的相互作用。

引力波在引力理论中的地位，就好比光在电磁理论中的地位。引力波探测的成功，让人类发现了一种新的“光”，可以用全新的方法来观测宇宙。过去的四次对引力波的探测，基本确立了波源是双黑洞碰撞。黑洞，是一种非常重要的天体。研究黑洞，不但可以让天文学家更好的了解恒星、星团和星系的演化，也让物理学家可以研究黑洞附近高度弯曲时空中的现象，窥探到宇宙最早期的雏形，从而悟出更深刻的物理规律。

虽然引力波是爱因斯坦在1916年就在数学上推导出的一个结论，但是就算是天才的爱因斯坦，也完全没法想象今天引力波探测的成果。在1916年，人们不知道太阳和其他恒星为什么会发光，所以根本没法想象它们在燃料耗尽之后，会形成黑洞这样奇妙的物体---那时候，人们也不知道有银河以外的星系，所以他们完全没法想象到今天所观测到的引力波源。在1916年，爱因斯坦还没有提出原子受激辐射的概念，距离激光的发明还非常遥远，很难想象人类今天对物体位置测量的灵敏度。后来半导体技术对科学仪器的推动，以及信息科学的发展，也是引力波探测所不可缺少的。所以说，今天的诺贝尔奖，也是这一百年来人类文明发展最好的见证。

我认为Kip Thorne得奖是名至实归的。Kip Thorne是“黑洞之父“John Wheeler的学生，很早就非常受学术界的推崇。他在博士期间，主要是研究星体在引力作用下塌缩，并且协助Wheeler等人确立了，质量足够大的恒星会最后塌缩为黑洞。Kip在30岁就成为了加州理工学院的正教授，33岁就当选美国国家科学院的院士。在上世纪60年代末开始，Thorne带领学生们研究黑洞附近的广义相对论天体物理，但是他总觉得自己做的不够好，有些辜负大家的厚爱。他从70年代开始研究引力波，历经了40年，终于才成功。在这40年中，Kip带领他的学生和博士后，开创了一些列研究方向，为引力波研究奠定了全面而又扎实的理论基础。Kip不但自己坚信引力波探测会最后成功，也是一个非常具有感染力的呼吁者，这对引力波探测的成功也是至关重要的。

LIGO里面的中国面孔

2009年LIGO科学合作组织接受清华大学为正式成员。清华团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率，参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究。清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威是清华大学LIGO工作组负责人，其他四位成员署名分别为：Z. Du、X. Fan、X. Guo、X.Wang。

陈雁北，加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士。2003年在Kip Thorne指导下从加州理工学院获得博士学位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。范锡龙，湖北第二师范学院物理学副教授，中国引力与相对论天体物理学会会员。2006年-2007年访问德国马普所引力物理研究所1年，跟随陈雁北、温琳清等人学习。2008年在朱宗宏教授指导下获得北京师范大学硕士学位。2012年获得意大利里雅思特大学博士。曾获得英国皇家学会“ Newton International Fellowships ”和中国国家自然科学基金资助。

陈雁北在加州理工学院从事理论物理的研究。他把量子光学和统计物理应用到引力波探测器上，研究量子涨落和热涨落对于干涉仪灵敏度的影响，以及如何设计出噪声更低、更灵敏的仪器。在广义相对论方面，他主要研究如何从引力波信号中提取有关黑洞附近时空几何的信息。

温琳清1992 年从中国科学技术大学物理系毕业后，在麻省理工学院获得博士学位，其后在加州理工学院和德国马普重力研究所从事引力波探测的研究。从2007年至今，温琳清一直是西澳大学物理系引力波数据分析与高性能计算团队的领导人。在美国新一代引力波探测器（aLIGO）的运作中，她的团队在线运转实时探测，独立验证了这次举世瞩目的第一个引力波探测。

引力波的直接观测

根据爱因斯坦的相对论，质量会产生时空弯曲，而大质量物体运动时，时空曲率变化会以光速像波一样向外传播，这就是引力波。虽然引力波在1916年就被预言存在，但其观测极其困难，连爱因斯坦自己都不相信能够在实验上直接观测到。即使是天文上的剧烈事件，其产生的引力波到达地球时强度振幅数量级也已经降低至10^-21。在这样的量级上，噪声的干扰也会对引力波观测造成极大困扰。

引力波示意图：时空波纹

虽然直接观测非常困难，但是引力波的存在已有一些间接证据，其中最著名的是脉冲双星的发现。第一个对引力波进行直接探测的实验装置由美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯研制，但限于灵敏度，并未提供出令人信服的引力波探测的实验证据。现代最主要的引力波探测装置是采用激光干涉仪，其中最具代表性的是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。

最早的引力波探测器是韦伯制作的棒状探测器，也被称为韦伯棒，探测器为铝制实心圆柱，长2米，直径1米。

2015年9月14日，LIGO位于利文斯顿和汉福德的两个激光干涉仪几乎同时观测到引力波信号。索恩弟子，加州理工学院陈雁北教授曾为知社撰写专题报道并答疑，点击可以阅读

陈雁北: 爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波!|独家专访

陈雁北：就引力波探测质疑答读者问

LIGO简介

LIGO全称是激光干涉引力波观测台，是用于观测引力波的大型天体物理学实验装置，由两个相距3000千米的独立干涉仪组成：一个位于华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个干涉仪有两个组成L型的长达4千米的臂。负责LIGO运行操作的LIGO 实验室则由加州理工学院与麻省理工学院联合组成。LIGO也是NSF历史上资助规模最大，最具雄心的科学项目。

1984年加州理工学院和麻省理工学院签署协议，共同设计与建设LIGO，总部设在加州理工学院，由德雷弗（Drever），魏斯（Weiss）和索恩（Thorne）共同领导。1989年LIGO的建设提案正式提交美国国家科学基金会。提案设想LIGO将建在两个地址，将按现有技术装备初级灵敏度的干涉仪，其灵敏度将有可能观测到引力波，随后再对干涉仪灵敏度进行升级，提高其观测到引力波的几率。事实证明，这个“两步走”的策略对LIGO在2016年的成功起到了至关重要的作用。1990年基金委员会审查并批准了LIGO建设计划，并在1991年由国会拨付LIGO第一年的基金。

LIGO 汉福德干涉仪

LIGO利文斯顿干涉仪

1997年时任LIGO主管的Barish对LIGO组织作出重大调整，把它分为两部分：（1）位于加州理工、麻省理工、汉福德以及利文斯顿的LIGO实验室，将继续负责运转干涉仪以及后续升级的研究工作；（2）LIGO科学合作组织(LSC)，将负责组织协调LIGO的技术、科学研究以及数据分析，并使LIGO能够包括除加州理工和麻省理工之外的科学家。至2016年，LSC已经发展为包括来自15个国家的约1000名科学家和75个机构。2007年LSC和欧洲引力波观测台VIRGO（位于意大利比萨附近）建立合作关系，两个组织的科学家将共同分析来自LIGO和VIRGO干涉仪的数据。

2005-2010年间，LIGO搜寻了可能的引力波源但并没有找到引力波的踪迹。进入新世纪后，在继续观测的同时，LIGO开始计划和准备进一步升级干涉仪。2008年NSF资助了升级版干涉仪的建造。2008-2010年升级版LIGO的部件在GEO和澳大利亚ACIGA的大力支持下建造完成。2015年初两个升级版干涉仪都已开始运行。

2015年9月14日，在爱因斯坦预测引力波存在近100年以后，升级版LIGO第一次观测到引力波。

2015 年12 月26 日凌晨3 点38 分53 秒，在时隔三月之后，科学家们通过LIGO第二次观测到引力波，两个别为14.2 和7.5 倍太阳质量的黑洞相互绕转并合，最后并合生成有20.8 倍太阳质量的黑洞。

双黑洞, 你们好: 人类再次探测到引力波!

而在上周，9月27号，位于美国的LIGO和位于欧洲的Virgo联合宣布同时探测到人类观测的第四个引力波。这也是首次LIGO之外的探测器观测到引力波，意义重大。

索恩专访

去年，我们见证了LIGO发现引力波的新闻发布会，索恩就坐在其中。对于大多数人来说，引力波进入视野不过几个月的时间。而对于索恩来说，早在1984年，他就作为联合创始人开始为LIGO项目的启动而奔走。时隔三十余年，也就是2015年9月14日，那令人难以置信的消息终于传来。人们为之兴奋，但恐怕没有人能够真正体会到索恩的心情。

“当我们从70年代开始筹划引力波探测项目时，我就知道，这一天终究会到来。我曾经非常确定我们最先看到的将会是双黑洞的碰撞。回首过往的努力，我非常满足。”

在发现引力波的消息公布后，我们曾发布《观察家报》对索恩的专访，让我们看看这位老人家又是如何看待这一切的。

Q：首先，爱因斯坦的广义相对论到底是什么呢？

它是所有物理学定律的框架和准则，除了量子定律。有人可能会说：“这是爱因斯坦关于引力的理论”，实际上远不止如此。他创造这一理论是为了解释引力，但实际上这个理论的作用远远超出了预期。它告诉你自然界中所有其他定律是怎样被纳入时间与空间的。

对于经典领域来说，这是描述大自然的最精确的方法。那些微观世界的事情另当别论，比如分子和原子级别。

Q：爱因斯坦的理论与引力波有着什么关系呢？

爱因斯坦是在1905-1915年那段紧张工作的时期完成了他的相对论。理论的最终完成是在1915年11月，到今天刚好100年多一点。在那之后，他开始运用他创造的这些理论来思考与预测问题。他所做的最重要也是最后一个主要预言就是引力波的存在。1916年6月，他做出了这一预测，现在正好是一百周年。

爱因斯坦仔细思考了这一预测，审视了当时的技术条件，研究了宇宙中产生引力波的条件，最终得出判断，我们无法找到引力波。我们没有足够精确的技术进行探测。

然而他错了，去年9月，我们首次成功探测到了引力波。

Q：从爱因斯坦提出的预测到最近引力波的发现，期间引发这一突破的转折点是什么？

我想这其中有几个重要节点。最关键的两个转折点来自两个关键人物。首先是约瑟夫·韦伯，他在1960年左右设计出一个看起来能够捕捉到引力波的方法，并且开始努力寻找它们。他是第一个质疑爱因斯坦论断的人，认为我们可以实现探测引力波的技术。韦伯并没有见到引力波，他一度认为自己看到了引力波，但实际上并没有，真实的引力波比他设想的要更弱。但是他打破了这种“不可能”的观念，激励了很多人，其中就包括我。

第二个转折点是麻省理工学院莱纳·魏斯 (Rainer Weiss) 的发明。其想法的萌芽源于俄罗斯的 Mikhail Gertsenshtein 和 Vladislav Pustovoit。魏斯发明的这项技术正是我们目前所在用的，这不同于的韦伯的方法。我们称之为激光干涉仪引力波探测器。发明了这个技术后，魏斯分析了主要干扰因素，并给出了应对策略。1972年，他提出了供进一步设计的蓝图。这份蓝图已经经过了一些调整，是一个真正经得起时间考研的设计。这是最大的转折点。

有趣的是，莱纳非常谦虚，他觉得在探测到引力波以前，他不应该在常规刊物上发表这些东西。所以他选择在麻省理工的内部报告上发表了他的文章，那是我所读过的最具技术含量的一篇硬货。

Q：既然引力波已经被探测到，那么下一步会是什么？

这仅仅是个开始。当伽利略把他的光学望远镜瞄向太空时，才开启了现代光学天文学，也打开了宇宙的第一扇电磁窗口：光。我们常用“窗口”这个词来描述寻找具有一定波长的辐射的那些技术。上世纪40年代，射电天文学诞生，人们开始寻找无线电波；60年代，X射线天文学诞生；70年代，伽马射线天文学诞生。红外线天文学也是在60年代出现的。

很快，我们就拥有了这么多扇不同的窗户，通过他们可以寻找不同波长的电磁波。通过射电望远镜和X射线望远镜来观察宇宙，其面貌与只用光来看有很大不同。而引力波天文学也意味着同样的事情。

Q：引力波会被用来探索宇宙吗？

这正是我们目前在LIGO做的事情。我们已经公布了关于双黑洞碰撞的发现。今后还会发现更多的现象。不过我们是通过具有一定振荡周期的引力波探测到这些现象，大概几毫秒的周期。在未来20年中，我们将触及那些周期达几个小时的引力波。

不过，通过那些在太空中运行的类似LIGO的探测器，我们很可能在未来5年内就看到震荡周期达几年的引力波，这需要涉及射电天文学中的脉冲星计时。

而在未来5到10年中，我们很可能会看到周期接近宇宙年龄的引力波，它们在太空中留下的印记就是我们所说的宇宙微波背景辐射。

在接下来的20年里，我们将打开四个不同的引力波窗口，分别探测一些不同的东西。我们会探测宇宙的起源，也就是所谓的“宇宙暴胀”；我们将研究基本作用力的诞生和发展，我们会通过引力波来检视它们在于宇宙之初的状态；我们还将探测更大的黑洞碰撞，观察星体是如何被黑洞撕碎的……

在未来的几百年，我们将看到各种以前从未见过的美妙事物。

现在，仅仅是个开始。