雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩因他们在激光干涉引力波天文台探测“时空涟漪”的贡献分享了2017年诺贝尔物理学奖。
左起依次为雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他们领导了引力波探测工作
三位物理学家因在引力波的首次直接探测中做出了决定性贡献，摘得2017年诺贝尔物理学奖。
美国麻省理工学院的雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、加州理工学院的巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）因他们在位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测引力波的工作，分享了900万瑞典克朗的诺贝尔物理学奖奖金。2015年9月，LIGO首次探测到两个遥远黑洞碰撞产生的时空扭曲所发出的引力波。
这一重大发现于2016年2月公布，从此开创天文学的一个新时代――科学家们聆听宇宙中最剧烈的事件发出的时空波动。而且，这一发现证实了爱因斯坦在一个世纪前就已预言的引力波的存在。
韦斯和索恩是被誉为“LIGO三巨头”的三位物理学家中的其中两位，他们是LIGO的两个相同的巨大探测器的创建者，一个探测器位于路易斯安那州利文斯顿，一个探测器位于华盛顿州汉福德。我们也不应该忘记LIGO三巨头中还有一位物理学家的贡献，那就是罗纳德·德雷弗（Ronald Drever），他于2017年3月7日去世。巴里什在1997~2005年间担任LIGO主任，他把原先混乱无序的LIGO合作项目变成了动力十足、运转良好的LIGO科学合作组织，得到广泛赞誉。
“我更愿意把我获得的这个诺奖看作是对这个大约1 000人的研究团队工作的认可，虽然我非常不情愿地告诉你，我们全身心投入到寻找引力波的努力至今已持续了40年。”韦斯在刚刚荣获诺奖后，与诺贝尔奖评审委员会一同接受采访时发出这样的感慨。
“我们都为他们的获奖高兴不已，他们在这个领域工作了数十年。”路易斯安那州立大学的物理学家、LIGO项目团队成员和LIGO科学合作组织前发言人加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela Gonzalez）表示。虽然诺贝尔奖按规定最多只能同时授予3人，但是诺贝尔奖评审委员会在揭晓2017年诺贝尔物理学奖的新闻发布会上，特别提到了投身LIGO项目的科学家群体的贡献。
自从去年LIGO项目团队宣布探测到引力波后，全世界的科学家普遍期待着诺贝尔奖评审委员会把诺贝尔物理学奖颁发给LIGO项目团队。“我很欣喜，诺贝尔奖评审委员会选对了人。”马里兰大学的广义相对论理论家查尔斯·米斯纳（Charles Misner）表示。奖金的一半授予韦斯，另外一半由巴里什和索恩分享。
无阻碍的运动
在LIGO探测到引力波之前，几乎没有物理学家怀疑引力波的存在。根据爱因斯坦的广义相对论，时空扭曲产生引力波是不可避免的结果，而且几乎会无阻碍地传播到宇宙。1974年，科学家检验了一对并合的中子星发射的射电闪光的周期变化与爱因斯坦预测的引力波辐射损耗是一致的，从而间接证实了引力波的存在。这一发现获得了1993年诺贝尔物理学奖。
但是，直接探测引力波是一项艰巨的任务。即使是最高能的时空扭曲――那些由恒星塌缩或黑洞碰撞产生的引力波，到达地球时强度也会变得极其微弱。2015年探测到的引力波分别拉伸和压缩了LIGO长达4 000米的L型真空长臂，导致的臂长变化量比质子还要小很多，却足以让在长臂内来回反射的同步激光束移动的距离出现显著的不同。
罗纳德·德雷弗是LIGO项目最初的共同创建者之一，于2017年3月逝世
20世纪60年代，美国和苏联的物理学家最早提议利用激光干涉仪来探测引力波。1972年，韦斯最先详细计算出干涉仪的工作方法。利用激光干涉仪来探测引力波这个想法在当时看起来是那么牵强，甚至连韦斯自己都不确定是否能行。当时，韦斯告诉科学社会学家哈里·柯林斯（Harry Collins）：“可能大约一年时间，我们就会面临抉择，发现它不值得我们继续做下去。”
韦斯1932年出生于德国，为了躲避纳粹迫害跟随家人于1938年移民美国。20世纪70年代中期，他建造了首个干涉仪样机，很快得到了欧洲科学家的追随――其中包括英国格拉斯哥大学的德雷弗及其同事和德国慕尼黑的另一个研究团队。
索恩1940年出生于美国犹他州，父母是摩门教徒。索恩是研究广义相对论的专家，也在发展引力波理论。1975年，在华盛顿的一次学术会议上，因旅馆爆满，索恩和韦斯同住一间房。在他们的交谈中，韦斯说服索恩相信干涉仪是探测引力波的正确方法。20世纪80年代，当美国国家科学基金会明确表示不会资助两个单独的引力波探测项目时，索恩、韦斯和德雷弗联手，于是就诞生了LIGO科学合作组织。
戏剧性的转机
“LIGO三巨头”并不总是合作融洽，他们自己也承认，没有掌握恰当的技巧管理好这个很快壮大成一个庞大组织的项目。1994年起担任LIGO项目首席科学家的巴里什在1997年担任LIGO主任后，情况发生了戏剧性的改善。柯林斯持续几十年都在密切关注和研究LIGO科学合作组织，他认为，是巴里什把LIGO真正变成了一个“大科学”研究组织。“如果不是巴里什让LIGO科学合作组织出现了转机，它很可能早就散掉了。”他指出。
LIGO项目最初努力争取政府的资助，最终成为美国国家科学基金会历史上规模最大、最烧钱的科学实验。LIGO的两个几乎相同的探测器最早在2002年启动运行，在数据收集的最初阶段，大家公认它们探测到任何引力波信号的希望渺茫。2010年，LIGO暂时关闭进行了重大升级改造，于2015年9月重启，灵敏度比以前提高了3倍。
科学家们对于LIGO能否在重启之后的几年时间内发现引力波持谨慎乐观的态度。但是宇宙对LIGO很厚爱，在2015年9月14日就提供了一个剧烈的引力波事件，当时干涉仪还在校准，比正式的运行日期还要早数日。从那以后，LIGO至少又探测到了3次引力波事件――最近一次引力波事件同时也被位于意大利比萨附近的“处女座”（Virgo）引力波探测器观测到了。
LIGO项目团队也从其他国家的重要研究努力中受益。德国和英国贡献了经费和研究，位于德国汉诺威附近的一个更小的干涉仪GEO600是位于美国的更大的干涉仪LIGO所采用的探测技术的主要试验台。
2017年的这三位诺贝尔物理学奖得主还非常博学多才：韦斯除了在LIGO项目工作，还是宇宙背景探测器（COBE）的领衔科学家，COBE是美国宇航局发射的一颗探测卫星，在20世纪90年代绘制出了第一幅宇宙微波背景辐射图――宇宙大爆炸的“余辉”。（另两位COBE研究者分享了2006年诺贝尔物理学奖。）索恩不仅是引力波理论研究的先锋，还帮助2014年的好莱坞科幻大片《星际穿越》构思了最初的情节，担任该片的执行制片人。巴里什在加盟LIGO之前，在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家实验室和其他地方从事中微子实验研究。他还领导了一个拟建中的国际直线对撞机（ILC）的设计。
大家普遍认为，索恩和韦斯摘得诺奖桂冠是十拿九稳的。在德雷弗于2017年3月去世之前，“LIGO三巨头”几乎包揽了他们能拿的所有大奖，包括奖金300万美元的基础物理学特别突破奖，奖金50万美元的格鲁伯基金会宇宙学奖，奖金120万美元的邵逸夫天文学奖以及奖金100万美元的卡弗里天体物理学奖。
资料来源 Nature
责任编辑 彦 隐