2017诺贝尔物理学奖被复旦大学物理学系施郁猜中

2017-10-3 11:48:48 来源:

(本报快讯) 瑞典当地时间10月3日上午11点时48分,瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松宣布2017年度诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院教授基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish),以表彰他们在LIGO探测器和引力波直接探测所做的杰出贡献

瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松/北欧时报


瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松宣布引力波直接探测获得2017年诺贝尔物理学奖/北欧时报


关于2017年诺贝尔物理学奖的猜测

/复旦大学物理学系施郁

去年诺贝尔物理学奖公布前,我认为不会授予当年2月宣布的引力波的发现,而是会授予凝聚态物理中的拓扑方向。今年年初,知识分子微信号年度大会演讲中,我说引力波直接探测将获得2017年诺贝尔物理学奖。

LIGO直接探测到引力波的科学贡献最大的是:最早提出用激光干涉仪探测引力波并作噪声分析的雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、对激光干涉仪的稳定性作出重要贡献的罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)、对引力波探测和LIGO作了很多理论工作的基普·索恩(Kip Stephen Thorne)。而巴里·巴里什(Barry Clark Barish)对建立LIGO国际合作并将其转化为大科学作出了关键贡献。

最近,复旦中植奖授予了韦斯、索恩和巴里什。

德雷弗今年37日不幸去世。

我觉得,今年的诺贝尔物理学奖确实会授予对LIGO作出杰出科学贡献的韦斯和索恩。

但是,每项诺贝尔奖可以授予一到三人,那第三个机会是给予巴里什还是放弃?

我觉得都不会。

我觉得第三个获奖者可能是:


斯蒂芬·霍金(Stephen William Hawking)!

是的,当今最著名的理论物理学家霍金。长期以来,天下人都知道,他对引力和宇宙学的贡献是伟大的,但是难以得到实验证实。

然而,引力波的直接探测已经改变了这一点,也就是说,他有一部分工作与之关系密切!

霍金早年曾证明爱因斯坦方程的具有平滑视界的定态解必须是轴对称的。

1970年,他提出,黑洞的视界面积不会减小。接着又以此为第二定律,与巴丁(James Bardeen)和卡特(Bradon Carter)提出黑洞动力学四定律。他与卡特、以色列(Werner Israel)和罗宾孙(David C. Robinson)在某些前提条件下证明了惠勒(John Wheeler)猜想的“黑洞无发定理”:黑洞只需要由质量、电荷和转动角动量描述。

  1971年,他还利用面积不减定理研究了黑洞碰撞产生的引力波的能量上限。据称他还设计过引力波探测器。

迄今,已公布了四次引力波事件,前三次都是LIGO的两个探测器的结果,最近一次,即昨天公布的结果,是位于意大利的VIRGO探测器与LIGO的两个探测器联合工作的结果。另外还有一次置信度低的事件。这些都是黑洞并合导致的引力波。显然,每次的黑洞并合而成的大黑峒的质量都小于原来的两个小黑洞的质量之和,丢失的质量转化为引力波的能量。

而且可以验证,每次得到的大黑洞的质量的平方都大于原来的两个小黑洞的质量平方之和。因为黑洞的视界面积正比于质量的平方,所以这就验证了面积不减定理。

综上所述,我猜测2017年诺贝尔物理学奖可能授予对引力波直接探测及黑洞物理作出杰出贡献的科学家

雷纳·韦斯:最早发明用激光干涉探测引力波并作噪声分析,领导了LIGO研究。

基普·索恩:引力波探测与LIGO的理论工作以及相关的量子测量理论。

斯蒂芬·霍金:关于广义相对论、黑洞和引力波的一系列理论工作,包括轴对称证明、面积不减定理、黑洞碰撞产生的引力波能量上限。

   诺贝尔奖颁奖词会强调,LIGO直接探测到黑洞并合产生的引力波,不仅是验证了广义相对论和引力波的存在,更重要的是打开了观测宇宙的新窗口,实现了强引力区和黑洞的直接观测。


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第二届复旦中植奖公布,花落美国三位引力波追踪者

左起:雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)、巴里•巴里什(Barry Clark Barish)。


2017年9月21日,第二届“复旦-中植科学奖”揭晓获奖名单。美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish)因在引力波领域做出突出贡献而获奖。三人将分享300万人民币的奖金。“复旦-中植科学奖”由复旦大学和中植企业集团共同设立,以表彰在数学、物理学和生物医学三个学科领域做出原创性杰出贡献的全球科学家。奖项每三年在这三个学科领域中轮流评奖,今年授予在物理学领域做出杰出贡献的科学家。

2016年,首届“复旦-中植科学奖”评选在生物医学领域做出重要贡献的科学家,将奖项授予美国生物学家詹姆斯·艾利森(James Allison)、日本生物学家本庶佑(Tasuku Honjo),以表彰两位在人类肿瘤免疫治疗领域的工作。

作为第二届该奖得主,雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里•巴里什在引力波上的贡献各不相同。

雷纳·韦斯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的主要噪声来源,并领导了LIGO仪器科学的研究,最终使LIGO达到了足够的灵敏度。

基普·索恩奠定了引力波探测的理论基础,他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,特别是提出了量子计量学理论的一系列基本概念。巴里·巴里什领导了LIGO建设及初期运行,建立了LIGO国际科学合作,他把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学,最终使引力波探测成为可能。

2016年2月,美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员宣布,他们在2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。这是人类历史上第一次探测到引力波,证实了百年前爱因斯坦的预测。据悉,本届“复旦-中植科学奖”自2017年2月启动评奖工作,3月起在全球范围内向139名物理系领域的提名专家发出提名邀请,同时组建了由8名国际物理学领域知名专家构成的遴选委员会。到4月底截止时共收到37份候选人提名表格,共计27组奖项候选人,涉及35名候选人。/澎湃新闻


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LIGO宣布再次探测到引力波

LIGO在美国天文学会宣布直接探测到了双黑洞并合产生的引力波,这是自今年2月份以来LIGO第二次宣布直接探测到引力波,同时发布会上还透露了一个疑似引力波信号。

“LIGO在短短四个月之内发现两个确凿、一个疑似引力波事件,说明今后引力波探测的事件率要比我们以前预计得高不少,这非常激动人心。”中科院高能所研究员张双南告诉《中国科学报》记者。

据介绍,此次探测到的引力波由双黑洞并合产生,但相较于2月份探测到的双黑洞并合事件,此次并合的双黑洞质量较小,分别为14.2个太阳质量和7.5个太阳质量,信号也更弱。

据中科院国家天文台研究员苟利军介绍,10个太阳质量的黑洞在银河系内是比较常见的,这也意味着未来有可能探测到更多类似引力波信号。

“比较少的探测结果很难从统计上研究双黑洞的性质。”张双南解释道,较多的探测结果能够帮助科学家了解黑洞倾向于在宇宙何处产生、如何形成等信息。“将来引力波会给我们展现一个非常丰富的黑洞图像,而这个图像用其他手段是不能获得的。”张双南说。

据苟利军介绍,LIGO两次探测到的引力波均源自于双黑洞并合,这与其探测频率范围和灵敏度密切相关,而LIGO目前的灵敏度只达到了预期的40%,经过对探测器的短暂维修,今年秋季它将重新启动,预计到时其灵敏度将提高15—25%。他表示,此次LIGO的探测已经体现出了一种常规性报道的态势,其未来的探测也更值得期待。

随着LIGO探测灵敏度的提升,以及之后VIRGO探测的加入,科学家未来探测到其他并合事例将成为可能。“我们期待两个中子星并合事例,但是它的引力波强度要低一些,但未来一定会看到,一个黑洞和一个中子星并合,两个中子星并合,甚至两个白矮星并合,这都将是引力波探测领域的重大突破。”张双南称。

据介绍,宇宙当中有很多中子星、白矮星,但目前科学家对其性质的研究都是通过表面的电磁波辐射进行,而一旦双中子星并合,它们内部的结构就能够得以显现,科学家便有机会将中子星和白矮星内部的结构研究清楚。

张双南告诉记者,如果将来引力波测量的精度提高或者观测到距离更近的引力波事件,就可以对引力波源的方向测量达到较高的精度,加上引力波测量本身可以确定引力波源的距离,就很可能证认出该事件发生的星系。

“星系的红移是比较容易测量的,所以就可以把引力波作为新的标准烛光研究宇宙的膨胀。相比超新星等其它标准烛光,引力波标准烛光更加干净和准确,而且不依赖于宇宙距离’梯子’。”张双南表示,这对于恒星演化、黑洞形成以及宇宙演化等研究都将具有划时代的意义。作者:王佳雯 来源:科学网


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什么是引力波?

爱因斯坦的广义相对论(GR)在1915年提出、于1916年发表,这是关于引力场中物质运动的规律描述,而引力场是控制宇宙万物的四个基本相互作用之一,有物质就产生引力场。诸如,地球上的苹果为什么下落?为什么月球围绕地球、地球围绕太阳运动?这些就是万有引力现象的案例。牛顿引力定律只是低速度描述引力场的近似,而爱因斯坦给出更加完美的普适方程,并获得大量实验验证支持;牛顿引力理论无法给出引力波的概念,因为其方程不能提供辐射的解。类比电磁波,有助我们概念的简化、生动理解引力波的含义。广义相对论的引力场方程可以获得如同电磁场一样的传播解,其时空波动的传播速度是光速,依此爱因斯坦预言了引力波的存在。

简单而形象比喻,电磁波是电磁能量的空间传播,而引力波是时空引力能量的传播。不同于电磁波,引力波是物质能量剧烈加速变化引起时空形变的传播;电磁波的源泉则是电场和磁场的震荡传播。但是两者的传播速度是一样的,都是光速,即每秒30万公里(比较地球月球距离38万公里)。此外,引力波的震荡模式(偏振)与电磁波稍有不同。

引力波如何产生?

为什么引力波的探测那么难?

引力波发生在一个巨大的天体突然加速运动,就像当恒星的超新星爆发时,或者当两个巨大的星体发生碰撞,或者两个致密星体合并,诸如中子星与黑洞这类星体的碰撞与合并。由于距离遥远,引力波能量到达地球时的信号非常微弱。现在激光干涉引力波天文台探测器检测的精度相当于,在北京观测上海的原子运动,其难度可想而知。近100年来,全球科学家一直翘首以待这一宇宙物质的波动光顾地球。然而,寻找世间微弱的奇迹,谈何容易,各种大型引力波探测器在世界各地建设,美国激光干涉引力波天文台堪称之最。引力波能量微弱的原因可以类比电子与质子的相互作用,两者的电力作用相当于其引力作用的10亿倍,所以依此设想的引力波能量微弱。虽然引力波在宇宙到处存在,但是其微弱的能量使得我们难于探测到。

引力波的探测主要有哪些方法?

由于引力波爆发引起时空震荡,使得物体产生微小抖动,所以引力波触发微小时空变化。诸如,黑洞合并时释放出巨大引力波能量,地球的激光干涉引力波天文台的干涉臂被引发微小的震动;双中子星系统的缠绕运动将释放引力波,其轨道尺度变小;脉冲星阵列的监测可以反映引力波穿过时的漂移;引力波损失动量可以导致脉冲星转动速度饱和,等等。对于上述现象的观测和监测,让我们判断引力波的存在证据。1974年,美国天文学家赫尔斯和泰勒,利用阿雷西博305米口径射电望远镜,观测到双中子星系统的轨道收缩,虽然每年3厘米的轨道变化,这与爱因斯坦的预言一致。由于他们间接证实引力波存在,于1993年两人获得诺贝尔物理学奖。在引力波寻觅的征途上,欧洲、日本和澳大利亚也不甘落后,他们相继建设各自的探测器,苦苦等待引力波投来激动的涟漪。依据爱因斯坦理论推算,在几千光年距离远的黑洞或中子星合并事件,其引力波强度可以被激光干涉引力波天文台测到。




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