證實了愛因斯坦「重力波」 美國3學者獲諾貝爾物理獎

2017年諾貝爾物理學獎得主3日揭曉,美國天體物理學家魏斯(Rainer Weiss)、巴里什(Barry Barish)及索恩(Kip Thorne)共同獲得,以表彰他們對「雷射干涉重力波偵測站」(Laser Interference Gravitational Wave Observatory, LIGO)與觀測重力波的重要貢獻。


800萬瑞典克朗獎金由魏斯獨得1/2,巴里什與索恩平分1/2。

物理學家愛因斯坦(Albert Einstein)在1916年便預測,當大質量的物體劇烈運動時,會改變周圍的時空曲率,這扭曲變化會以重力波的方式傳播,重力波是愛因斯坦廣義相對論的部分內容。簡言之,重力波是黑洞相撞或恆星核心崩塌等激烈宇宙事件發生後,所產生的時空「漣漪」。
然而,重力波一直沒有被證實。愛因斯坦曾說過,人類恐怕永遠無法觀測到重力波。

直到2015年,美國「雷射干涉重力波偵測站」的成員巴利許、索恩和魏斯才首度偵測到重力波,他們偵測到13億光年外兩個黑洞碰撞的活動,並於2016年2月對外宣布這項發現,證實了愛因斯坦百年前的預言。

發現重力波對人們觀測宇宙開啟了另一個窗口,過去大部分都是從光學探測宇宙現象,但重力波是全新的測量辦法,對宇宙的了解有很大的幫助。
LIGO是來自20多個國家的1000多名研究人員的心血結晶,該計劃歷時50多年。LIGO使用一對大型的雷射干涉儀量測重力波訊號,最小可以觀測到比原子核還小1000倍的變化。

當時因雜訊干擾,LIGO的觀測成果十分有限。魏斯在1970年代中期分析了這些雜訊的可能成因,並設計新的雷射干涉接收器,成功克服了雜訊的問題。魏斯與索恩相信,克服雜訊問題後,應有機會觀測到重力波,為觀測宇宙帶來新革命。

在魏斯等人觀測到重力波前,主要仰賴電磁輻射與微小粒子探索宇宙,例如宇宙射線與微中子。魏斯等人直接觀測到重力波,讓人們得以使用此一全新方式探索宇宙,開啟眾多研究的大門。

魏斯、索恩與巴里什對LIGO的貢獻卓越,40多年來致力確保LIGO順利運作,最後終於成功觀測到重力波,證實了愛因斯坦在廣義相對論中的預測,震懾整個物理學界。;

3位大師皆為美國籍

魏斯現年85歲,1932年生於德國柏林,1962年在麻省理工學院(MIT)取得博士學位,現為MIT物理學榮譽教授。得知獲獎後,他透過電話在瑞典皇家科學院(Royal Swedish Academy of Sciences)的記者會上謙虛表示:「我傾向認為,這是一千人的功勞。」

巴里什現年81歲,1936年生於美國內布拉斯加州,1962年在加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)取得博士學位,現為加州理工學院(California Institute of Technology)榮譽教授。

索恩現年77歲,1940年生於美國猶他州,1965年在普林斯頓大學(Princeton University)取得博士學位,現為加州理工學院理論物理教授。

沒有獲獎的發起人德雷弗

《科學人雜誌》報導,最初,LIGO計劃的發起人並不是這次獲獎的三人,而是索恩、魏斯,與另一名加州理工學院的物理學家德雷弗(Ronald Drever),他們在1984年就共同提議,利用「雷射干涉儀」來觀測重力波,當時的物理學家都知道這是一件非常艱辛的苦差事。而他們的研究經費,直到1994年以前,都沒有被美國國家科學基金會(NSF)批准。

發起人之一的德雷弗,是名蘇格蘭的實驗物理學家,但他在1992年,就因為與當時NSF指派的計劃負責人沃格特(Rochus Vogt)不合,在沒有任何官方解釋的狀況下被踢出了團隊,並被禁止踏入LIGO辦公室半步。
後來德雷弗就此事向學術自由委員會提交了投訴函,學術自由委員會10月份給出了調查報告,確定德雷弗在學術自由方面確實遭遇了侵犯,但報告中隻字不提恢復德雷弗在LIGO的職位。學術自由委員會內部成員透露,這種忽略是故意的。

當年12月,加州理工學院出面調停,給德雷弗一個為期兩年、共計100萬美元經費的獨立重力波研究計劃。德雷弗拒絕了,據他的同事透露,德雷弗將LIGO視為他畢生工作的結晶,除了希望LIGO成功之外別無他求。

這次獲獎的第三人巴里什,是LIGO第二任總監,在德雷弗因派系鬥爭而被掃地出門後,LIGO計劃幾乎停擺。1994年,巴利許臨危受命,重訂研究大綱,讓瀕臨難產的計劃起死回生。巴利什與一般埋首象牙塔做實驗的科學家不同,他既是出色物理學家,也是執行力強的管理人才。

《科學人雜誌》報導,1994年,長年審查LIGO的各項計劃的NSF終於批准LIGO計劃的經費。LIGO於2002年開始運作,當時已經耗資3億7,100萬美元,不過到了2010年仍徒勞無功。於是停機進行升級,成為aLIGO(Advance LIGO),在2015年2月進入測試階段,該年9月已經花費將近6億2,000萬美元。

2016年LIGO團隊宣布研究結果後,獎項紛至沓來,但在媒體報導中,創始人之一的德雷弗都只被匆匆帶過。當時,他已罹患阿茲海默症,但仍然能理解研究成功的消息,並因此開心不已。2017年3月7日,德雷弗逝世於愛丁堡,享年85歲。

對LIGO來說,消失了25年的德雷弗是一個微妙的存在。甚至,從某種意義上來說,當德雷弗最終過世,諾貝爾獎評審委員會面臨的難題也迎刃而解,因為諾貝爾獎最多只能提名三個人,且三個人都必須在世,LIGO三位的發起人固然重要,但在計劃過程中力挽狂瀾的領導者巴利什也不可或缺。■

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