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? 著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主丁肇中，圖片來(lái)自復(fù)旦大學(xué)

演講 | 丁肇中（著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）

責(zé)編 | 葉水送

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2017“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”將授予三位獲獎(jiǎng)人，他們負(fù)責(zé)了激光干涉引力波探測(cè)儀項(xiàng)目的啟動(dòng)和成功的運(yùn)營(yíng)。這三位獲獎(jiǎng)人是雷納·韋斯教授、基普·索恩教授和巴里·巴里什教授。

愛(ài)因斯坦在1916年的時(shí)候，就曾預(yù)測(cè)引力波的存在。也就是他在發(fā)布了自己的廣義相對(duì)論的第二年，這個(gè)預(yù)測(cè)為他解決了牛頓力學(xué)在預(yù)測(cè)蘋(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)遇到唯一的一個(gè)問(wèn)題。

牛頓的經(jīng)典力學(xué)提出來(lái)有近兩百年的時(shí)間，它描述了引力方面的一些現(xiàn)象，但對(duì)于精確預(yù)測(cè)行星的運(yùn)行軌道，精確預(yù)測(cè)潮汐，準(zhǔn)確地描述蘋(píng)果從樹(shù)上掉落的原因，是有一定缺陷的。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，是在1915年提出的。他對(duì)于水星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道進(jìn)行了精確的預(yù)測(cè)，這已經(jīng)充分地證明了廣義相對(duì)論的成功，但愛(ài)因斯坦又做出一個(gè)更為大膽的預(yù)測(cè)：因?yàn)闀r(shí)空在巨大的引力作用下，會(huì)發(fā)生彎曲，所以他預(yù)測(cè)在經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體的時(shí)候，光線會(huì)發(fā)生彎曲。我們可以在看日食的時(shí)候，通過(guò)觀測(cè)原來(lái)被太陽(yáng)遮擋的天體來(lái)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦關(guān)于光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體會(huì)發(fā)生彎曲的這一重要的預(yù)測(cè)。

正是這一預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的成功，使得愛(ài)因斯坦成為了一個(gè)家喻戶曉的科學(xué)家。愛(ài)因斯坦還做了什么預(yù)測(cè)呢？其實(shí)在1916年的時(shí)候，愛(ài)因斯坦又做出了第三次預(yù)測(cè)。除了電磁波之外，應(yīng)該還存在其他引力波。但是我們花了四十年的時(shí)間，才讓理論界充分接受了引力波存在的這個(gè)預(yù)測(cè)。但那個(gè)時(shí)候大家普遍認(rèn)為，引力波太弱了，要探測(cè)它非常困難。

前人已經(jīng)做過(guò)多次嘗試，從約瑟夫·韋伯開(kāi)始。他使用探測(cè)器試圖來(lái)探測(cè)引力波引起的、非常細(xì)微的形變。他在世界各地都放置了一些大型鋁制棒狀的探測(cè)器，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程也持續(xù)了幾十年，但是因?yàn)樘綔y(cè)屏太窄，探測(cè)器的長(zhǎng)度非常有限，所以探測(cè)成果也是非常有限。之后有幾位研究者提出干涉測(cè)量法來(lái)探測(cè)引力波的新設(shè)想。這種探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于可以擴(kuò)大探測(cè)的頻段，同時(shí)通過(guò)加大探測(cè)器的長(zhǎng)度，對(duì)于長(zhǎng)度上極小的變化率進(jìn)行更為精確的測(cè)量。雷納·韋斯教授是提出懸掛質(zhì)量?jī)x干涉系統(tǒng)的第一人，該系統(tǒng)的靈敏度可以高達(dá)10的負(fù)21次方，這個(gè)精度相當(dāng)于質(zhì)子大小的千分之一。

此后，世界各地都進(jìn)行了大量的重要研究來(lái)測(cè)試和優(yōu)化這一系統(tǒng)，但直到上世紀(jì)80年代中期，人們才真正建立起一個(gè)大型的懸掛質(zhì)量干涉儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)在美國(guó)被命名為激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）。在此之后，從天文臺(tái)的建設(shè)到排查探測(cè)器靈敏度的噪聲源，雷納·韋斯教授都做出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。

? 三位獲獎(jiǎng)?wù)咭约邦C獎(jiǎng)嘉賓，圖片來(lái)自復(fù)旦大學(xué)

我們之所以提名雷納·韋斯教授成為這一屆“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”的獲獎(jiǎng)?wù)撸蚓驮谟谒l(fā)明的激光干涉引力波探測(cè)器是LIGO裝置的基礎(chǔ)，他首次分析了探測(cè)器主要的噪聲來(lái)源，并領(lǐng)導(dǎo)了LIGO與其科學(xué)的研究，最終使得LIGO達(dá)到了足夠的靈敏度，讓我們?cè)谌祟?lèi)歷史上第一次探測(cè)到了引力波。

加州理工學(xué)院的基普·索恩教授是理論物理學(xué)家，他研究的領(lǐng)域是廣義相對(duì)論。他在早期就發(fā)現(xiàn)了引力波的巨大科學(xué)潛力，他發(fā)現(xiàn)了可能發(fā)射引力波的天體物理系統(tǒng)，描述了其引力波信號(hào)的特點(diǎn)，估計(jì)了這種信號(hào)的強(qiáng)度，并且推動(dòng)了在廣義相對(duì)論支持下，引力波信號(hào)的計(jì)算和分析工具的研究。尤為重要的是，他在很早就意識(shí)到了用計(jì)算機(jī)求解廣義相對(duì)論中愛(ài)因斯坦方程的重要性，也就是所謂的數(shù)值相對(duì)論。經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的努力，在成功探測(cè)到引力波的前幾年，他的研究獲得了成功，這對(duì)于發(fā)現(xiàn)和解釋雙黑洞并合的信號(hào)，有著舉足輕重的作用。

基普·索恩教授成為2017復(fù)旦中植科學(xué)獎(jiǎng)的獲得者的原因是：基普·索恩教授奠定了引力波探測(cè)的理論基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)了引力波波形計(jì)算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向，并對(duì)LIGO儀器科學(xué)做出了重要貢獻(xiàn)，特別是他提出了量子計(jì)量學(xué)理論的一系列基本概念。

第三位獲獎(jiǎng)?wù)呤前屠铩ぐ屠锸病ＫI(lǐng)導(dǎo)的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不但建設(shè)了激光干涉引力波天文臺(tái)，還將它的靈敏度提高到可成功探測(cè)引力波的水平。在巴里·巴里什教授的領(lǐng)導(dǎo)下，LIGO進(jìn)行了一次重大升級(jí)，這次升級(jí)的技術(shù)目標(biāo)，是將所謂頻段上的靈敏度提高十倍以上。最早的LIGO項(xiàng)目使用的是還不成熟的技術(shù)，而在完成了LIGO項(xiàng)目的初期建設(shè)之后，大約在2000年，巴里·巴里什開(kāi)始組建高新LIGO項(xiàng)目，這是一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是大幅提高該項(xiàng)目的探測(cè)精度，通過(guò)相關(guān)的設(shè)備升級(jí)，使高新LIGO可以探測(cè)原LIGO無(wú)法探測(cè)到的引力波信號(hào)。

這次重大技術(shù)升級(jí)之后，整個(gè)頻段上的探測(cè)靈敏度可以提高10倍以上。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，項(xiàng)目組應(yīng)用了激光系統(tǒng)以增進(jìn)高頻搜索精度，同時(shí)也通過(guò)多懸掛系統(tǒng)以及提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中產(chǎn)生的頻熱噪聲進(jìn)行減噪，并且運(yùn)用了新型主動(dòng)隔震的系統(tǒng)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常重大的項(xiàng)目，將約40赫茲左右的地震噪音，降低了100多倍。而且核震方面的改變，也成功發(fā)現(xiàn)了30倍太陽(yáng)質(zhì)量級(jí)的黑洞，雙黑洞合并的一個(gè)關(guān)鍵。

正是出于這樣一個(gè)原因，我們建議把“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”授予巴里·巴里什。他不僅建立了國(guó)際合作的基礎(chǔ)，而且把幾個(gè)人的科研小組的小科學(xué)成功地向大科學(xué)演進(jìn)，從小科學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為涉及眾多成員，依賴(lài)大規(guī)模設(shè)備的一個(gè)大科學(xué)領(lǐng)域，他們的共同合作增加了引力波的探測(cè)成功的可能性。

最后，我想對(duì)于引力波研究的未來(lái)講幾句。LIGO已經(jīng)成功地探測(cè)了雙黑洞并合過(guò)程當(dāng)中所釋放出的引力波，同時(shí)也探測(cè)到了中子星的引力波，發(fā)現(xiàn)了在原來(lái)的廣義相對(duì)論當(dāng)中，對(duì)于這樣一種引力波的出現(xiàn)和表現(xiàn)的一個(gè)準(zhǔn)確的定義，當(dāng)然也對(duì)一些相關(guān)領(lǐng)域的原則，進(jìn)行了有效的測(cè)試。他們也發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)研究領(lǐng)域，他們不無(wú)驚奇地發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)系當(dāng)中黑洞的存在，以及它們并合之后所產(chǎn)生的一系列效果，特別是出現(xiàn)雙致密天體的靠近、雙黑洞的并合以及旋進(jìn)等過(guò)程當(dāng)中的一些特殊性。

他們非常敏銳地捕捉到了在相關(guān)天體運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)的特殊性，同時(shí)也通過(guò)一系列經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，證明了有關(guān)實(shí)驗(yàn)原則的準(zhǔn)確性。尤其是他們進(jìn)一步奠定了黑洞研究的科學(xué)基礎(chǔ)，拓展了黑洞以及基于引力波研究的黑洞發(fā)展的研究范圍，這將成為未來(lái)的引力波和重力研究的相關(guān)學(xué)科進(jìn)一步拓展的基礎(chǔ)。未來(lái)也將會(huì)對(duì)核物理以及核科學(xué)前沿技術(shù)的拓展起到重要的推動(dòng)作用。特別是在天文物理學(xué)方面的一些既有的定理、公式和原理等，通過(guò)對(duì)天體物理學(xué)的拓展，而加以極大的提升。

最后，我們想說(shuō)的是，通過(guò)此次引力波的發(fā)現(xiàn)，韋斯教授、巴里什教授以及索恩教授三位在該方面所做出的突出貢獻(xiàn)，真正地為我們開(kāi)創(chuàng)了科技的新紀(jì)元。

我還想說(shuō)幾句心里話，幾百年以后，可能我們之前任何一個(gè)人獲獎(jiǎng)，很有可能不一定會(huì)被大家記住，但大家都能夠記住這三位教授所做出的卓越的貢獻(xiàn)。

注：本文標(biāo)題為編者所擬。