2017诺贝尔物理学奖：捕获时空涟漪

1916年，爱因斯坦预测了引力波的存在。物理学家们因此孜孜不倦地探寻。这场探寻在100年后，终于有了确定的结果。

1974年，美国科学家约瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）和拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）发现了脉冲双星PSR B1913+16，他们的研究间接地证明了引力波的存在，因此获得了1993年诺贝尔奖。2017年，LIGO科学合作组织的三位主要成员：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、 巴里·巴瑞什（Barry Barish）、吉普·索恩（Kip Thorne）获得了诺贝尔奖物理学奖——他们所带领的由上千位科研人员组成的团队直接探测到了引力波。这项成就是人类历史上最重大的发现之一，犹如推开了一扇观察宇宙的全新窗口，远方的风扑面而来。

20世纪60年代，美国学者约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）建造了一个直径1米、长度2米的铝制圆柱体——韦伯棒。他设想，当引力波经过圆柱体时，会使圆柱在不同方向上拉伸和压缩。如果能探测到这些压力变化，就能识别出引力波。虽然韦伯并没有获得成功，但他的尝试启迪了许多物理学家。

美国学者莱纳·魏斯（Rainer Weiss）提出了用激光干涉的方法测量引力波的点子：当一束激光在经过一个分光镜后，能朝向两个互相垂直的方向前进，再通过反射镜反射回来并重新汇聚；汇聚后的激光由于干涉而相互抵消，传感器上不会接收到任何信号；一旦引力波经过，两条连接反射镜与半透镜的通道距离就会发生微小的变化，干涉现象就会改变，传感器就能接收到光波，从而确定有引力波经过。

基于这个原理，20世纪 90 年代，激光干涉引力波观测台（LIGO）开工建设。这是世界上最大的引力波天文台，同时也是世界上最精密的物理实验室。它由位于美国利文斯顿与汉福德的两个相距几千公里的大型激光干涉仪组成，每一条干涉臂都有4千米长。这两个探测器互相印证，以区分引力波和环境噪声。

在2015年9月14日格林尼治标准时间9点50分45秒，LIGO的两台探测器同时观测到了GW150914信号。科学家发现，GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞的并合事件，发生于距离地球13亿光年以外的地方。能读取到这个信号，就好像在一个拥挤的大房间里从嘈杂的背景中辨析出一场对话一样。经过大量后期工作，2016年2月11日，LIGO项目的科学家宣布，他们探测到的是真实存在的引力波。

在LIGO奠定的研究基础上，科学家进一步提出了雄心勃勃的计划:在太空中用卫星形成阵列，增加干涉臂的长度，以窃听更低频率上的引力波——这一想法催生了太空激光干涉仪（LISA）。此外，天文学家还希望能通过测量多个脉冲星的计时数据，把整个银河系当成一个巨大的引力波探测器。宇宙学和物理学研究正在进入新的阶段。

图片注解：

（第一行）引力波 黑洞 时空

1. 用激光监测两条干涉臂的长度变化。

2. 分光设备将激光分成两条一样的钢束，分别射入两条4千米长的干涉臂。

3. 激光束抵达干涉臂尽头的反射镜，反射回中心点。

4. 如果引力波经过，会对两条干涉臂造成不同的影响，一条会伸长，另一条则收缩。

5. 在没有引力波的情况下，两道光波会原样返回，互相抵消。

6. 如果两条干涉臂受到了引力波的影响，两条光波经过的路径长短就会产生不同，就不会相互抵消，光束就会打到探测器上。

图片注解：

① 质量为太阳29倍的黑洞

②质量为太阳36倍的黑洞

③产生了质量相当于62个太阳的新黑洞

④LIGO汉福德探测器接收到的扰动

⑤宇宙的啼鸣：相当于3个太阳质量的能量在几十分之一秒内释放出来。

本文科猫平台原创编译，作者：金吾。