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丁肇中:数百年之后还能被记住的诺奖得主是谁?

2017年12月19日 14:20 来源于 财新网
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著名物理学家、诺贝尔奖得主丁肇中(图片来自复旦大学)

  编者按:从瑞典斯德哥尔摩国王手中接过诺贝尔物理奖章不久后,三位诺奖得主雷纳•韦斯(Rainer Weiss)、基普•索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里•巴里什(Barry Clark Barish)12月17日现身上海复旦大学,从1976年诺贝尔物理学奖得主丁肇中手中接过“复旦-中植科学奖”。作为此次评审委员会主席,丁肇中在演讲中回顾了引力波的探测历史,并分别介绍了三位获奖者的工作。

  演讲 | 丁肇中(著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主)

  责编 | 叶水送

  2017“复旦-中植科学奖”将授予三位获奖人,他们负责了激光干涉引力波探测仪项目的启动和成功的运营。这三位获奖人是雷纳•韦斯教授、基普•索恩教授和巴里•巴里什教授。

  爱因斯坦在1916年的时候,就曾预测引力波的存在。也就是他在发布了自己的广义相对论的第二年,这个预测为他解决了牛顿力学在预测苹果从树上掉下来遇到唯一的一个问题。

  牛顿的经典力学提出来有近两百年的时间,它描述了引力方面的一些现象,但对于精确预测行星的运行轨道,精确预测潮汐,准确地描述苹果从树上掉落的原因,是有一定缺陷的。

  爱因斯坦的广义相对论,是在1915年提出的。他对于水星围绕太阳运行的轨道进行了精确的预测,这已经充分地证明了广义相对论的成功,但爱因斯坦又做出一个更为大胆的预测:因为时空在巨大的引力作用下,会发生弯曲,所以他预测在经过大质量天体的时候,光线会发生弯曲。我们可以在看日食的时候,通过观测原来被太阳遮挡的天体来验证爱因斯坦关于光线经过大质量天体会发生弯曲的这一重要的预测。

  正是这一预测实验的成功,使得爱因斯坦成为了一个家喻户晓的科学家。爱因斯坦还做了什么预测呢?其实在1916年的时候,爱因斯坦又做出了第三次预测。除了电磁波之外,应该还存在其他引力波。但是我们花了四十年的时间,才让理论界充分接受了引力波存在的这个预测。但那个时候大家普遍认为,引力波太弱了,要探测它非常困难。

  前人已经做过多次尝试,从约瑟夫•韦伯开始。他使用探测器试图来探测引力波引起的、非常细微的形变。他在世界各地都放置了一些大型铝制棒状的探测器,整个实验过程也持续了几十年,但是因为探测屏太窄,探测器的长度非常有限,所以探测成果也是非常有限。之后有几位研究者提出干涉测量法来探测引力波的新设想。这种探测方法的优势在于可以扩大探测的频段,同时通过加大探测器的长度,对于长度上极小的变化率进行更为精确的测量。雷纳•韦斯教授是提出悬挂质量仪干涉系统的第一人,该系统的灵敏度可以高达10的负21次方,这个精度相当于质子大小的千分之一。

  此后,世界各地都进行了大量的重要研究来测试和优化这一系统,但直到上世纪80年代中期,人们才真正建立起一个大型的悬挂质量干涉仪系统。该系统在美国被命名为激光干涉引力波天文台(LIGO)。在此之后,从天文台的建设到排查探测器灵敏度的噪声源,雷纳•韦斯教授都做出了举足轻重的贡献。

丁肇中
三位获奖者以及颁奖嘉宾(图片来自复旦大学)

  我们之所以提名雷纳•韦斯教授成为这一届“复旦-中植科学奖”的获奖者,原因就在于他发明的激光干涉引力波探测器是LIGO装置的基础,他首次分析了探测器主要的噪声来源,并领导了LIGO与其科学的研究,最终使得LIGO达到了足够的灵敏度,让我们在人类历史上第一次探测到了引力波。

  加州理工学院的基普•索恩教授是理论物理学家,他研究的领域是广义相对论。他在早期就发现了引力波的巨大科学潜力,他发现了可能发射引力波的天体物理系统,描述了其引力波信号的特点,估计了这种信号的强度,并且推动了在广义相对论支持下,引力波信号的计算和分析工具的研究。尤为重要的是,他在很早就意识到了用计算机求解广义相对论中爱因斯坦方程的重要性,也就是所谓的数值相对论。经过了数十年的努力,在成功探测到引力波的前几年,他的研究获得了成功,这对于发现和解释双黑洞并合的信号,有着举足轻重的作用。

  基普•索恩教授成为2017复旦中植科学奖的获得者的原因是:基普•索恩教授奠定了引力波探测的理论基础,开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向,并对LIGO仪器科学做出了重要贡献,特别是他提出了量子计量学理论的一系列基本概念。

  第三位获奖者是巴里•巴里什。他所领导的大规模实验项目不但建设了激光干涉引力波天文台,还将它的灵敏度提高到可成功探测引力波的水平。在巴里•巴里什教授的领导下,LIGO进行了一次重大升级,这次升级的技术目标,是将所谓频段上的灵敏度提高十倍以上。最早的LIGO项目使用的是还不成熟的技术,而在完成了LIGO项目的初期建设之后,大约在2000年,巴里•巴里什开始组建高新LIGO项目,这是一个雄心勃勃的计划。这个项目的目标是大幅提高该项目的探测精度,通过相关的设备升级,使高新LIGO可以探测原LIGO无法探测到的引力波信号。

  这次重大技术升级之后,整个频段上的探测灵敏度可以提高10倍以上。为了能够实现这一目标,项目组应用了激光系统以增进高频搜索精度,同时也通过多悬挂系统以及提高实验质量的方法,对实验当中产生的频热噪声进行减噪,并且运用了新型主动隔震的系统。对于实验来说,是一个非常重大的项目,将约40赫兹左右的地震噪音,降低了100多倍。而且核震方面的改变,也成功发现了30倍太阳质量级的黑洞,双黑洞合并的一个关键。

  正是出于这样一个原因,我们建议把“复旦-中植科学奖”授予巴里•巴里什。他不仅建立了国际合作的基础,而且把几个人的科研小组的小科学成功地向大科学演进,从小科学领域转化为涉及众多成员,依赖大规模设备的一个大科学领域,他们的共同合作增加了引力波的探测成功的可能性。

  最后,我想对于引力波研究的未来讲几句。LIGO已经成功地探测了双黑洞并合过程当中所释放出的引力波,同时也探测到了中子星的引力波,发现了在原来的广义相对论当中,对于这样一种引力波的出现和表现的一个准确的定义,当然也对一些相关领域的原则,进行了有效的测试。他们也发现新的科学研究领域,他们不无惊奇地发现,太阳系当中黑洞的存在,以及它们并合之后所产生的一系列效果,特别是出现双致密天体的靠近、双黑洞的并合以及旋进等过程当中的一些特殊性。

  他们非常敏锐地捕捉到了在相关天体运行过程当中出现的特殊性,同时也通过一系列经过验证的数据,证明了有关实验原则的准确性。尤其是他们进一步奠定了黑洞研究的科学基础,拓展了黑洞以及基于引力波研究的黑洞发展的研究范围,这将成为未来的引力波和重力研究的相关学科进一步拓展的基础。未来也将会对核物理以及核科学前沿技术的拓展起到重要的推动作用。特别是在天文物理学方面的一些既有的定理、公式和原理等,通过对天体物理学的拓展,而加以极大的提升。

  最后,我们想说的是,通过此次引力波的发现,韦斯教授、巴里什教授以及索恩教授三位在该方面所做出的突出贡献,真正地为我们开创了科技的新纪元。

  我还想说几句心里话,几百年以后,可能我们之前任何一个人获奖,很有可能不一定会被大家记住,但大家都能够记住这三位教授所做出的卓越的贡献。

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:刘明晖
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