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科技文摘——致敬!聆听宇宙涟漪的科学家们

2016-02-22  dspri

    这里就像在颁发奥斯卡奖,但是只有物理学家参加。

    虽然这个仪式没有好莱坞盛典那么华丽,却具有足够的戏剧性:当信封打开,要么让所有参与者都成为赢家,要么无人能捧得奖杯。

    他们是一群搜寻宇宙结构涟漪———引力波的人,为了验证100年前爱因斯坦广义相对论中最后一个预言,几代物理学家不屈不挠地付出了无数代价。

    很多次,似乎已经听到了宇宙的声音,但信封打开,却被告知是人为“注入”的杂音。

    2016年2月11日,来自十多个国家的千余名美国激光干涉引力波天文台 ( LIGO) 科学合作组织的研究人员,终于等来了最为激动的时刻。LIGO项目负责人对外正式宣布:人类第一次直接探测到了引力波。

    引力波探测百年,与之联系在一起的名字有很多很多,我们选取其中最为耀眼和幸运的那几个,来分享他们的喜悦和荣耀。

    约瑟夫·韦伯:引力波探测领域奠基人

    第一个对直接探测引力波作出伟大尝试的,是美国物理学家约瑟夫·韦伯。他设计研制了世界上第一个引力波探测器———一根长2米、直径0.5米、重约1吨的圆柱形铝棒,又称“韦伯棒”。

    1969年6月,韦伯宣称他探测到了引力波信号,立刻引起轰动。很快,他开始报告每天都有信号记录,不过,意大利、澳大利亚、美国等国的同行相继建造了类似的铝质圆柱形探测器,有的甚至采取了更复杂的减震、低温、真空等措施排除干扰,但是都没有产生与韦伯的结果类似的观察,对他的怀疑开始扩散。到最后,除了韦伯自己,当时无论是物理学家还是普通公众,都拒绝相信他发现了引力波。

    虽然韦伯的实验失败了,但他在引力波探测领域的奠基人地位,还是得到了广泛认同。他的开创性实验,极大地刺激了整个科学界探测引力波的热情。

    韦伯1919年5月17日出生于新泽西州,二战时期他在美国海军服役,获海军少校军衔。他在马里兰工程学院担任教授时攻读了博士学位,论文中提出的激光概念被加拿大科学家应用并因此获诺贝尔奖。对广义相对论的兴趣促使韦伯潜心于引力辐射的研究。1955年他从工程系转到物理系,之后开始发表关于引力波探测的论文。2000年9月30日,韦伯因淋巴瘤治疗无效,在匹兹堡去世。

    基普·索恩: LIGO项目创建者之一

    现年75岁的基普·索恩是美国理论物理学家,其主要科学贡献集中于对空间、时间和重力普遍性质的研究探索,几乎涵盖了广义相对论的所有主题,2009年荣获爱因斯坦勋章。

    “引力圣经”

    索恩在早期学术生涯中很快崭露头角,成为加州理工学院历史上最年轻的全职教授之一。1965年,他在普林斯顿大学获博士学位,1967年回加州理工任教直至2009年退休。

    多年来,索恩曾为以后的许多著名理论物理学家担任导师,如今他们都活跃在物理学观察和实验或广义相对论天体物理学研究领域中。约有50名物理学家都曾在加州理工学院接受过索恩的个别指导。

    被称为“引力圣经MTW”(《引力论》 一书的三位作者) 中的T和W,指的就是索恩和他的老师约翰·惠勒。惠勒是命名黑洞的物理学家,早年在普林斯顿做研究生的时候,和惠勒一起研究了引力塌缩的过程,从此跟黑洞结下不解之缘。在韦伯“发现”引力波以后,索恩开始致力于黑洞和引力波这个新型辐射的研究。

    LIGO项目的核心

    美国激光干涉引力波天文台(L1GO) 项目的执行总监雷兹曾说过:“没有索恩,就不会存在L1GO项目。”

    在韦伯宣称自己探测到引力波之后,出现了一大批无法复制其成果的研究人员。雷纳·韦斯因为无法解释韦伯的工作而烦恼,由此萌生了自己设计探测系统的念头,也就是L1GO的原型思想。1972年,他写出了他的设计,之后开始在他工作的麻省理工学院开始组装一个小的原型,但在争取资助方面遇到了困难。

    相比之下,索恩在加州理工的进展更为顺利:他说服学校支持引力波研究,1975年由苏格兰裔物理学家罗纳德·德雷维尔建起了引力波实验室,1981年起开始建造臂长近40米的探测原型,并不断改进韦斯的设计。

    1990年代初,在德雷维尔、索恩和韦斯的努力下,他们领导的L1GO项目得到了美国国家自然科学基金 (NSF)2.72亿美元的资助,这是NSF对基础研究支持力度最大的一个项目。据韦斯透露,索恩在其中发挥了关键作用。

    热心科普

    索恩以向专业研究人员和普通观众传播引力学和天体物理学知识而著名。1999年,索恩对21世纪将找到哪些问题的答案进行了推测,如:宇宙中是否充满了如黑洞之类的“黑暗面”? 我们是否可以通过时空弯曲时产生的辐射,即所谓的“引力波”,观察到宇宙的诞生和宇宙的“黑暗面”? 他主讲的科普题材,如黑洞、引力辐射、相对论、时间旅行和虫洞等,在美国的PBS电视网和英国BBC电视网上播出。

    作为一名重要的物理学大师,索恩的重要特点就在于,善于向他人展示自己研究领域的重要之处以及一些令人兴奋的发现,不仅是面向学术界,同时也能够让大众了解。

    他为 《星际穿越》 担任科学顾问,通过与科幻电影的深度合作,把相关的科学概念无缝植入了电影等媒介中,润物无声地影响了公众,为L1GO项目持续获得充足的资金注入,作出了重要的贡献。

    电影 《星际穿越》 上映之后,索恩出了一本科幻小说 《星际穿越中的科学》,书里介绍了引力波和L1GO项目。他对科幻小说、电影的兴趣也并不完全是功利性的,他相信这种做法一方面能帮助公众对科学产生兴趣,也有助于带来更多科学上的想法。如他在帮助卡尔·萨根完成科幻小说 《接触》 (后改编为电影 《超时空接触》)的创作过程中,提出了关于利用“虫洞”进行时间旅行的设想,使得一些科学人士开始思考虫洞作为时空旅行手段的可能性。

    马可·德拉戈:“看到”引力波的第一人

    令整个 L1GO 科学合作组织(LSC) 的1000多名科学家期待已久的引力波信号,是谁最先看到的呢?

    虽然检测到引力波的是分设于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿汉福德的两个引力波探测器,但“看到引力波第一人”的这份殊荣,却落在了远在德国的一名喜爱演奏古典钢琴、发表过两篇幻想小说的博士后马可·德拉戈身上。

    这位33岁的博士后来自意大利帕多瓦,目前在德国马普引力物理学研究所工作,LSC的一些成员在这里进行数据分析工作,德拉戈负责监管4个数据通道的其中之一。美国的两台探测器负责寻找有价值的信号,自动化的计算机系统则对这些信号形成的原始数据进行整理分析。

    2015年9月14日,德拉戈收到了一封他负责的数据通道发来的电子邮件,提示说L1GO探测器在3分钟前,即当地时间上午11点50分45秒,检测到了一个不同寻常的读数。德拉戈马上向整个团队通报了收到信号的事,询问是否有人注入了假信号。几天后,团队负责人得出结论说,那个信号不可能是注入的。

    整个LSC内部,发现引力波的消息已经不再是秘密了。但出于科学的严谨,他们必须对外保密。反复讨论、计算和确认的过程整整花了半年。现在,德拉戈终于可以自豪地说:“你们知道吗? 我是第一个看到引力波的人。”

    LIGO是如何成功的

    美国激光干涉引力波天文台(LIGO) 检测到的来自宇宙的信号,是引力波存在的“第一个真正的直接证据”。

    此次成功捕捉到13亿光年开外两个黑洞并合引力波的,是刚刚完成升级的LIGO。不久的将来,进一步改进后的LIGO可探测到的宇宙空间将更为广阔,科学家们对再次捕获来自宇宙的引力波充满了信心。

    右图为位于美国路易斯安那州利文斯顿的、臂长4公里的 LIGO引 力波探测器。

    “我先自己偷着乐乐”

    上周四 (2月11日),美国激光干涉引力波天文台 (L1GO) 科学合作组织宣布,L1GO分设于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿汉福德的两个引力波探测器,首次检测到来自距离地球约13亿光年的黑洞合并时产生的引力波。作为爱因斯坦广义相对论一部分,预测引力波存在的预言在100年后得到了证实。

    从引力波的波形研究人员可推断出,一个黑洞是太阳质量的36倍,另一个黑洞是太阳质量的29倍。这两个黑洞并合时发出的引力波,经过了13亿光年到达了地球。2015年9月14日,L1GO的两个探测器在大致相同的时间里发现了这个引力波信号:路易斯安那州利文斯顿的探测器先“看到”它,7毫秒后又被华盛顿汉福德的那个探测器“看到”,这一短暂延迟正是引力波在地球上席卷而过时留下的证据。

    第一个发现这一信号的德拉戈受过专门的训练,“很显然,这是非同寻常的事件。”关键是要弄清这是否是为了测试而人为注入的虚假信号。

    L1GO项目发言人、路易斯安那州立大学的物理学家加布里拉·冈萨雷斯经过一整天忙碌的电话和电子邮件联系后,确定了没有“盲注”发生,并将这个结果通知了整个科学合作组织的成员。

    此时此刻,加州理工学院理论物理学家基普·索恩意识到,为之奋斗了40年的梦想已经成为了现实,但目前还不是开香槟酒庆祝的时候。在向全世界宣布这一发现之前,他们还有很多事要做。“那天晚上在家里,我的庆祝活动就是自己偷偷地笑,因为我还不能告诉我的妻子。”索恩说。

    “我们证实了引力波的存在”

    为了确保科学上的严谨,团队负责人决定继续收集一个月的数据,再开展全面的分析,研究人员需要将记录下来的探测器中出现的自然噪声与引力波转化而成的宇宙之声进行比较。他们得出的结论是,能产生如此响亮噪声的几率很低,而在路易斯安那州和华盛顿两地几乎在同一时间产生同样模式噪声的几率更低,每20万年才有可能发生一次。

    为获取尽可能多的信息,研究人员进行了长时间的超级计算机模拟。这些模拟信息确认引力波信号的数据与1915年爱因斯坦的广义相对论的预测完美契合,过去几十年的理论研究工作使得物理学家们更深刻地理解了这一理论的涵义。

    在经过了半年的反复计算、核实比对之后,L1GO科学合作组织终于可以向世界宣布:“我们证实了引力波的存在!”

    “这些惊人的观察结果确认了许多理论,包括爱因斯坦的广义相对论对引力波存在的预测。”英国剑桥大学物理学家斯蒂芬·霍金如此评价。

    L1GO的胜利标志着,由爱因斯坦开篇的宇宙故事有了一个相匹配的完美结果。天文学家通过观察黑洞周围的环境,积累了令人信服的证据,证明了黑洞的存在。法国先进科学研究所的理论物理学家蒂博尔特·达穆尔称,L1GO检测到来自宇宙的信号是引力波存在的“第一个真正的直接证据”。

    “更大的惊喜等待着我们”

    引力波信号出现的时机似乎好得令人难以置信:去年9月,L1GO合作项目5年一次的仪器设备升级工作刚刚完成,于9月12日投入第一次观测运行。仅仅2天,就捕捉到了引力波。

    在最早的L1GO计划书中,捕捉双黑洞和双中子星的碰撞过程是主要的目标。设计者提到了一个三步计划:第一步的1nitia1L1GO在设计灵敏度下可以看到5亿光年以外的双黑洞碰撞,第二步的Advacned L1GO在设计灵敏度下可以看到70亿光年以外的双黑洞碰撞。这多出的14倍距离,相当于多覆盖了宇宙中将近3000倍的体积。而现在,于去年9月完成升级的Advanced L1GO,虽然尚未达到设计灵敏度,但已经看到了13亿光年以外的双黑洞碰撞。

    现在,Advanced L1GO的首轮观测任务在今年1月12日已经结束,第三步改善升级又已经开始———探测器已经要接近它最大的设计精度了。在不远的将来,宇宙视野和灵敏度不断扩大和提升的L1GO,将有更多的机会记录到来自宇宙的“交响乐”。“一定会有更大的惊喜等待着我们。”索恩说。

    引力波刷屏的背后

    今年春节,估计每个人的微信都被“引力波”刷屏了。

    科学如此走近普通人,大众如此关注科学进展,无疑是件好事。

    科普,是“让公众理解科学”的桥梁,无数科普工作者为此付出了很多心血。而今天的“引力波热”,更是让我们看到了科学家们在其中所作的努力。

    上周四,北京时间晚上11点40分,美国激光干涉引力波天文台L1GO科学合作组织 (LSC) 在华盛顿宣布了一条重磅新闻:人类第一次直接探测到了来自宇宙的引力波。

    没过多久,果壳网的微信账号推送了一篇文章:《今晚的“大新闻”到底说了个啥》。在之后的24小时里,这篇文章的阅读数达到了200万;微博主账号的同题推送累计转发超过13万,总浏览近3000万,粉丝增长总数6万左右。

    这篇吸引了如此众多阅读的科普文章背后的科学把关人之一,就是LSC成员、清华大学博士后、德国马普引力物理学研究所的年轻学者胡一鸣。

    他为这次“引力波”科普做了大量的工作,除了在LSC官方微博上撰写科普材料外,还为果壳网、“知识分子”、“赛先生”、“天文爱好者”等国内主要科学新媒体,提供了很多文笔生动、通俗易懂的科普文章。

    和胡一鸣一样,LSC还有很多充满科普热情的华人学者,像加州理工学院教授陈雁北,德国马普所的明镜,罗切斯特理工的张渊皞,西澳大学的王、朱兴江和储琪,墨尔本大学的孙翎,伯明翰大学的王梦瑶,格兰萨索研究所的王刚等。身处世界各地的他们组建了一个微信群,在新闻发布会前的一个星期里,完成了大量的翻译和写作。

    胡一鸣说:“那一个星期的忙碌程度,甚至超出了强度很高的科研常态。为此应该为这次投身科普的小伙伴们点个赞!”2月11日发布会之前,提供给各国媒体的科普材料被这群“科普志愿者”翻译成了包括中文在内的十多种文字。由于准备的时间很短,这些志愿者们全球24小时接力合作翻译材料,甚至通宵熬夜赶稿。

    此外,胡一鸣和陈雁北还在13日下午,参加了“科学来帮忙”8个微信群约2000人参与的一场中美德三地互动,接受了媒体和科学粉丝们的访谈。

    胡一鸣说:“我从小就是一个天文爱好者,现在成长为一名天文研究人员,非常希望可以把我对科学、对天文的热情,传递给更多的大众。”

    本版文章由方陵生、王惠文编译

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