奥门新萄京娱乐场诺贝尔物理学奖获得者Barry,捕

2019-10-30 05:50栏目:奥门新萄京娱乐场
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2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三位主要成员:雷纳·韦斯(Rainer Weiss), 巴里·巴瑞希(Barry Barish), 吉普·索恩(Kip Thorne) ,以表彰他们直接探测到了引力波。

9月28日,诺贝尔物理学奖获得者、美国科学院院士、美国加州理工学院Barry Barish教授来到上海交大闵行校区作客第108期大师讲坛,为交大师生带来了题为“引力波:探测器,探测与新科学”的精彩报告。

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引力波终于被捕获

2015年9月14日,百年前曾被阿尔伯特·爱因斯坦所预言的宇宙引力波第一次被探测到了。这些引力波来自两个黑洞的相撞,它们经过13亿年的长途跋涉才到达了美国的LIGO探测器。

引力波信号到达地球时已极其微弱,但足以有希望掀起一场天体物理学的革命。引力波是人类观测宇宙中最剧烈事件(黑洞融合)的全新方法,也是检验人类知识极限的新途径。

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LIGO 汉福德台址鸟瞰。图片来源:LIGO Laboratory | 摄影:Corey Gray

由两个激光干涉仪组成的LIGO(激光干涉引力波天文台),是一个由来自超过20个国家、千余名研究者共同协作的项目。他们共同实现了近50年前的一个构想。2017年的三位诺贝尔奖得主以其热情与决心,各自对LIGO的成功做出了无价贡献。先驱者雷纳·韦斯(Rainer Weiss) 和吉普·索恩( Kip S. Thorne), 以及巴里·巴瑞希(Barry C. Barish),作为带领这一项目走向完成的科学家与领导者,使四十多年来的努力最终实现了引力波的成功观测。

20世纪70年代中期,雷纳·韦斯已经分析出了有可能会干扰测量的那些背景噪声的可能来源,并且还设计了一种基于激光干涉仪的检测器,可以克服这种噪音。从一开始,吉普·索恩和雷纳·韦斯都坚信,引力波可以被检测出来,并带来一场我们对宇宙认识的革命。

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如何捕捉引力波。人类捕捉到的第一个引力波信号,来自13亿光年之外的两个巨大黑洞的剧烈合并。当这束引力波经过13亿年的漫长旅行,穿过地球的时候,已经发生了明显的衰弱:LIGO探测器探测到的时空扰动,比一个原子核的大小还要小上千倍。图片来源:NobelPrize.org

正如爱因斯坦在他的广义相对论中描述的那样,引力波以光速传播,并且在宇宙中无处不在。它们总是来自于有质量物体的加速过程,例如一个滑冰选手做足尖旋转运动或当两个黑洞绕着彼此旋转的过程。爱因斯坦曾确信引力波永远不可能被测量出来。LIGO的科研项目的成就是用一对巨大的激光干涉仪测量到了当引力波穿过地球时所引起变化,这个变化只有原子核的大小的千分之一。

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两个黑洞在数千万年间相互绕转,不断地释放出引力波。它们之间的距离越来越近,最终在短短零点几秒的时间里猛烈碰撞,融合在一起,形成一个新的黑洞。融合瞬间释放的能量增强了引力波。13亿年后,我们在地球上听到的,就像是宇宙的啁啾信号在一瞬间的增强之后,戛然而止。图片来源:NobelPrize.org

到目前为止,各种各样的电磁辐射和粒子——例如宇宙射线或中微子——都已经被用来探索宇宙。然而,引力波直接证明了时空自身的扰动。这是完全崭新而且不同的东西,打开了以往无法看到的世界。大量的新发现都在等待着那些成功捕捉到这些波并且解读其中信息的人们。

 

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十七世纪80年代,著名物理学家牛顿发现了存在于所有物质之间的万有引力,其强度与质量成正比,与距离成反比。1915年,爱因斯坦将万有引力与时空弯曲结合在一起,发表了广义相对论。1916年,他又根据广义相对论预言了引力波的存在。意图利用光学干涉效应探测引力波的LIGO项目于1994年开始建设,但一直以来都没有探测到引力波。项目组的科学家仍然坚持不懈,不断地改进和升级探测器,终于在2015年9月14日第一次探测到了两个黑洞融合时发出的引力波。因此LIGO项目的主要成员Rainer Weiss、Barry Barish和Kip Thorne共同获得了2017年诺贝尔物理学奖。

雷纳·韦斯( Rainer Weiss)

奥门新萄京娱乐场 7雷纳·韦斯。图片来源:kavlifoundation.org

查阅雷纳·韦斯的履历,他在1962年至1964年期间曾在普林斯顿大学任职博士后。韦斯是出生于德国柏林。在二战前夕,作为一个犹太家庭,他们做出了一个明智的决定,逃离德国,来到了美国。可以说,以二战为标志,全球科研重心由欧洲,特别是德国,转移到美国的历史过程,一直延续到了今时今日,韦斯获得诺贝尔奖。

韦斯走上科研道路有着不少机缘巧合。不同于索恩的科研世家,韦斯的父母一个是医生,一个是演员,虽然也算书香门第,但是这个在纽约成长的少年并没有展现对科研的特殊天赋。韦斯展现出过人的实验动手能力是来自纽约电影院的一场火灾,突如其来的火灾使得剧院的扬声器成了无主之物;而二战结束后,许多原来军用管控的变压器、真空管等物资一下子堆积成山,搭配着这些满大街都能找得到的器材,他捣鼓出不少质量初中的无线电收音机,以及在高保真音响这个概念也

许还没出线的时候,就捣鼓出了这么一个东西。凭借着这门手艺,他在纽约的犹太人圈子里小有名气,常常有人会慕名而来,通过他的收音机收听纽约爱乐乐团的演奏。韦斯有时候会开玩笑,说年少时的他如果没有选择科学,也许会成长为一个音响业大贾。然而驱使他走进大学,走上科学道路的,正是这段DIY的经历。他发现靠他半吊子的数学水平,总是无法解决自制留声机的刺耳噪声问题。直到进入麻省理工的理工科学习,才使他知其然,也知其所以然。

然而,他的大学生活并非一帆风顺,年轻气盛的韦斯在大学期间坠入爱河,并为了爱情冲动地选择退学。在当然,这是一个非常叛逆的行为。当然辗转之后,他还是回到了象牙塔。这段短暂的辍学经历,也使得他对于有着相似辍学经历的学生充满同情,并在后来破例录取了同样辍学于麻省理工、没有本科学历的大卫·舒梅克就读研究生。现在,LIGO科学合作组织的新闻发言人正是这个当时的辍学生。

韦斯是一个非常谦虚的人,在LIGO引力波探测使他接连斩获数个科学大奖,名利双收的时候,他却计划将绝大部分都捐出去,为研究生设立奖学金。实际上,当他获知引力波终于被探测的消息时,第一反应并不是欣喜若狂,而是长出了一口气:用激光干涉测量引力波的方案是他一手策划的,万一在哪里出了什么差错,就是上千人,上十亿美元跟着他瞎折腾了一回啊!

实际上,出了引力波的探测以外,韦斯在另一个诺贝尔奖级别的项目,COBE探测卫星上有着举足轻重的贡献。另外两位COBE卫星的倡导人利用宇宙微波背景辐射研究宇宙大爆炸,由于测量到宇宙微波背景的各向异性、开启了精确宇宙学的新时代,而于2006年获得诺贝尔物理学奖。他在基础天文物理实验的两个方向同时涉足,跨界性虽然不如索恩,也依然是一骑绝尘的开挂人生。

Barry Barish教授讲述了人们对引力波的认识历程,以及探测引力波所做出的努力。他从牛顿发现万有引力开始,介绍了人们对万有引力的认识及其产生的效应,以及在认识过程中遇到的问题、困难以及走过的弯路。随着技术的不断进步,LIGO项目的实验精度逐步提高到了10-21,这是能够探测到引力波的关键。他指出,引力波的成功探测,不仅证实了广义相对论的预言,而且为观测宇宙提供了一种新的方式。以往的观测都是利用电磁相互作用,而引力波则是利用万有引力,新的观测方式将会深刻地影响人们对宇宙的认识。

巴里·巴瑞希(Barry C. Barish)

奥门新萄京娱乐场 8巴里·巴瑞希。图片来源:Wikipedia | 摄影:R. Hahn

本来,LIGO早期的三巨头毫无争议地应该分数基普·索恩、雷纳·韦斯与罗纳德•德雷弗三人。这三个人在80年代LIGO概念提出并坚持到立项时,一直是作为最中坚的骨干,并作出了大量的贡献。然而,不幸的是,德雷弗在2017年3⽉月7⽇日,在苏格兰爱丁堡与世⻓长辞,享年85岁 。于是,诺贝尔奖的第三个名额,顺延给了巴里·巴里什。

历史总是惊人地相似。1993年,LIGO内部权力的转接,与当今的情景何其相似。90年代初期,美国国家自然科学基金投重金开工建造LIGO。随之而来的是不停的质疑,不少人怀疑这么多经费投入进去,究竟能否获得科学上的成功。从80年代建立并坚持下来的三人平等的共同领导小组,明显地感到了巨大的压力,并渐渐在下一代仪器升级计划等科学问题上有了分歧。很快,争议延生到了科学之外:德雷弗被禁止进入LIGO办公室。之后,虽然介⼊调查的委员会认定Drever遭受了不公正的对待,却最终没能再度领导LIGO前⾏行。由于⽭盾⽆无法调和,在NSF的要求下, LIGO更换了三人共同领导的政策,改由巴里·巴里什⼀人出任发言人,成为名义上的单独领导者。

巴里和韦斯同于1962年获得博士学位。在早些年的研究中,巴里利用高能中微子的碰撞揭示核子内部的夸克亚结构,最早地观测到弱中性流,称为弱电统一理论成立的一项关键证据。同时,他提议建造的MACRO探测器是探测重磁单极子的最灵敏实验。

作为一个粒子物理学家,他并没有参与LIGO的概念验证或早期建设,但是我们今天看到的LIGO与巴里的参与密不可分。实际上,在LIGO建设的早期阶段,主要的参与单位只有加州理工和麻省理工两家。正是在巴里的努力下,包含全球不同大学、研究组一同参与研究的LIGO科学合作组织开始成形。LIGO早年的三人领导小组由于内部不断有争论,导致问题多多,多年过去后发展缓慢。1994年,巴里接手LIGO时,LIGO项目由于内部离心而岌岌可危。1993年,美国自然科学基金甚至暂停了原计划的4300万美元的巨额投资。

巴里主管LIGO以后,很快地扩充团队,对组织结构进行了重新调整,并在几个月的时间内完善了美国自然科学基金想看到的具体工作计划。他修改了LIGO构架、调整了项目计划,特别是确立了两个台址聘用的长期研发团队以升级仪器。这些举措将LIGO的一期预算从原来的2.5亿美元拉高至2.92亿,但都一一获批。

在巴里手中,LIGO的组织文化发生了大变,有时候,这种工厂化的探测器运营理念让许多人无法接受而最终选择离开。1997年,LIGO科学合作组织在巴里手中得到确立。这一决定实际上并没有获得许多LIGO科学家的支持,他们担心大科学项目会逐渐吞噬这个领域。实际上也的确是这样的,但现在看来,这或许是更好的选择。

许多人认为,没有巴里就不会有现在LIGO的成功。在2016年诺奖揭晓前,就有不少科学家,甚至诺贝尔奖得主力荐,认为巴里应该也分享引力波探测带来的诺贝尔奖。命运真是一个奇特的东西:德雷弗的去世,是科学界的不幸,但也以人们意想不到的方式,解决了这个争议。

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