诺奖得主联合报告：LIGO与引力波的发现(雷纳-韦斯)

雷纳?韦斯（摄影：慕梁）

　　新浪科技讯 北京时间12月17日下午消息，2017“复旦-中植科学奖”颁奖典礼暨第三届复旦科技创新论坛今日在上海举行，今年诺贝尔物理学奖得主雷纳?韦斯（Rainer Weiss）、基普?索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里?巴里什（Barry Clark Barish）是2017“复旦-中植科学奖”的获奖人，以表彰他们在引力波方面的研究。

　　著名科学家丁肇中在台上致颁奖词时表示，三位科学家捕捉到了天体运行过程中的特殊性，为未来引力波和重力研究相关学科进一步拓展基础。

　　在接受“复旦-中植科学奖”之后，三位科学家为大家做了联合报告“LIGO与引力波的发现”。雷纳?韦斯教授首先上台，介绍了引力波探测的历史。

　　以下为雷纳?韦斯报告全文（速记根据同传录音整理，未经审定）：

　　首先我们三位获奖人，会向大家致以真诚的谢意，我非常感谢复旦科技创新论坛向我颁出了复旦中植科学奖。我们三个人都会发言，第一个发言者是我，在我这一部分，我会介绍一下我们的历史背景，之后请巴里?巴里什教授上台，介绍我们的项目，再之后请基普?索恩教授介绍一下前沿的未来，以及我们正在思索的问题。

　　首先我想说的是，刚刚丁肇中先生已经给了一个非常精彩的介绍，已经把我要说的很多东西说了。他刚刚介绍的一个理念，是从一个角度，来看一下爱因斯坦的相对论。他说这个理论当中，谈到了两个非常主要的概念。当然广义相对论还有其他的一些概念。这个最主要的概念是广义相对论可以通过知道两个物体的质量大小是多少，来帮你去计算它们之间的引力是多少。而我们现在做的工作，主要是探测一下两个物体接近的时候，引力的信息是如何被传递的，从这个角度来说，我们获得了引力波探测的基础。



　　这一张图上，是从一个角度去看广义相对论的概念。这是太阳，这是地球，时空就编织成了一张网，有一点像森林当中编织的密度很高的网。我们可以看到，这个空间受到大质量物体进入的时候，就会发生变形，如果你把太阳放到空间里面，旁边就可以看到由太阳压出的一个凹处，整个空间会因此变形。另外一个大家可以看到很重要的，就是所有的这些位置，比如说我们这边，可以放一个钟，虽然这个图里没有画出来。我们可以把这个钟放在离太阳比较远的地方，与此同时你可以看到这些钟走的速度，会比太阳附近的钟更快一点，而不是一样。所以有两点发生了，第一，空间被扭曲了，第二，时间也被改变了，尤其是把大质量物体放到系统当中时就被改变了。



　　时空的变形，能够展示出时空中的物体的运动行进轨迹以及这种变形对于我们周边的物体产生的相关影响，这就是我们工作的基础。讲到我们研究的引力波，这个概念的起源非常悠久。第一，引力波是由一些非球对称的加速物体的运动产生的。第二，它行进的速度非常快，差不多以光速行进。从我们现在的观测经验角度来说，应该说这个引力波行进的速度与光速非常相近，或者基本等同于光速。同时它波形传播的形态，呈比较规则的状态，而且在空间会有一些动态的感觉存在。我之后会让这张图动起来，但是大家可以想像一下，有一串引力波向你们袭来，你们会感觉到有一种动态。

　　你可以看到在当中的这个点，从不管任何一个方向来讲，其实动的都不多，但是在一些非常遥远的点，他们移动的幅度就会很大。另外一点，当在一个方向上出现拉伸时，另外一个方向就出现压缩，反之亦然。所以从这一张图大家可以考虑一下，你如何对引力波进行探测？首先探测的技术必须是要考虑到两个方向不同的运动。在任何一个时间节点，这个节点把它无限推广，就可以看到一个物体，上下左右，并且四面八方都在交替运动，并且在两个方向交替进行拉伸和压缩。

　　接下来我很快向大家展现一下LIGO的基础。有点像小小的卡通片，帮助大家了解LIGO的装置。



　　这里是一个激光发射器，这里是一个分光镜，这个分光设备的功能就是把激光分成两个光束，就是这个圆形的设备。这两个是悬挂的质量，或者说是悬挂的镜子。我们可以看到这两条干涉臂的顶端，我们可以看到打出一束光，到分光设备以后，分成两束。任何一条光，由干涉臂末端的悬挂质量进行反射，并且汇合到探测器上进行测量。我们都知道，这个光会进行相干干涉，这是我们所看到的。

　　LIGO的原理就是如果你在理想的状态下，你可以看到，在没有引力波的状态下，这个光在两条臂上传播的距离和传播的时间是一样的，这是一个非常简单的原理：当引力波传来时，这两臂之间的距离和光的传播时间不再相等，使得探测器上的光信号发生变化。如果你要做任何工作，你必须要能够测量一下这两条臂在引力波下的应变，你看一下这个应变的发生度是非常小的，小于等于10的负21次方。它是非常非常小的一个数字。它的应变是什么概念？如果你说我们干涉臂是四公里长，那么你要在四公里的终端，测量10的负18次方米这样一个应变的变化，是非常非常难的，这是最大的一个挑战。



　　第二个挑战和第一个挑战是一样重要的，可能是更为艰难的一个调整。由于地表的震动或者外面的一些震动，很有可能产生一些非常细微的影响。不管大家感受到还是感受不到，可能会出现10的负12次方的一个应变的干扰。怎么办呢？我们后面会做一个具体的介绍，我们想简单的给大家介绍一下，如何让这样一个激光的干涉，引力波天文台的工作，得以顺利进行呢？



　　首先当中是一个分光设备，通过这个分光设备，把光打成两束，同时我们可以看见，刚才这个动画展示里面所看到的测试质量做的这个工作。然后你可以看到，当整个的系统开始工作之后，我们首先要去掉一些噪声，并且需要它稳定，而且能够隔绝一些相应的噪声的干扰。在两端的测试质量都会有很多类似可以隔震的设备。

　　另外一点，通过添加另一面镜子，使得理论上面是没有任何光可以逃离出去的，而是可以通过测试的质量进行完全的反射。所以，所有的这些光束，都会在抵达终端之后，呈现回路运行，故而我们也可以在最后的光学探测器，探测出原来打出的全部光束所留下的足记，这是一个非常重要的理念。另外还有一面镜子，我来跟大家讲一下，它起什么作用。它是放在探测器前面的一面镜子，可以帮助你改变一些所谓的灵敏度，具体我不多讲了。



　　这里是另外一个非常重要的设备，它能够把这个噪音隔绝掉。一个就是通过悬挂的方式，来加以隔绝。我们把镜子作为一个钟摆似的垂挂物：比如说这里是钟摆，这里是地球，如果我们在上面只是缓慢地移动，钟摆和这根线会一起动；如果你上面扯线的这只手很快地运动，其实钟摆并不会跟着运动。我们通过这个原理，做出了一个隔震的设备。



　　然后我们把另外一个非常复杂的装置挂在了上面讲的钟摆隔震系统的终端，我们把它称为一个主动隔震装置。比如说坐飞机的时候想要隔绝飞机的噪音，可以戴上一种主动降噪耳机一样。通过这样一个耳机你可以很好的来隔绝一些相应的噪音。这个主动隔震装置会测量地面的振动，并对系统主动施加反向的作用，从而很好地把这些不需要的噪音给隔除掉。两套系统配合起来，就可以做引力波的探测。接下来有请巴里?巴里什教授，来做进一步的讲解，谢谢。

　　附：2017“复旦-中植科学奖”获奖人雷纳?韦斯介绍

　　雷纳?韦斯被授予复旦-中植科学奖，因其发明的激光干涉引力波探测器，是激光干涉引力波天文台(LIGO)的基础。他首次分析了探测器主要的噪声来源，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，在人类历史上第一次探测到了引力波。

　　雷纳?韦斯教授首次分析并提出了悬挂质量干涉仪系统，灵敏度可以高达L/L ~ 10-21，并可以测量相当于质子大小的千分之一的位移。在这之后,大量相关重要研究在全世界广泛开展，但是直到上世纪八十年代中期，建立一个大型的悬挂质量干涉仪系统才变得可能实现。该系统在美国被命名为激光干涉引力波天文台（LIGO）。从天文台的建设到捕捉限制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。

　　韦斯教授是美国国家科学院、美国科学促进会、美国物理学会、美国天文学会、美国人文与科学院的成员。他曾被授予美国国家航空航天局(NASA)成就奖、美国国家航空航天局（NASA）杰出科学成就奖、格鲁柏宇宙学奖，并与另外两位科学家共同获得2017年诺贝尔物理学奖。