2017年诺奖:百年现代物理学,今天做了个了断!

张双南/中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院粒子天体物理重点实验室主任

2017-10-03 22:20

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编者按:2017年诺贝尔物理学奖被授予美国三位科学家Rainer Weiss(雷纳·韦斯)、Kip Thorne(基普·索恩)、Barry Barish(巴里·巴里什),以表彰他们在LIGO检测器和引力波观测的决定性贡献。中国科技工作者之家“科猫”APP特邀请中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南教授为我们独家解读。

这次的诺贝尔物理学奖有一个特殊的意义:百年的现代物理学,今天终于做了一个了断!
现代物理学建立的标志当然是一百年前建立了相对论和量子力学,而相对论理论的建立尽管也有多位物理学家的贡献,但是爱因斯坦的贡献不但傲立群雄,而且即使说是爱因斯坦以一己之力建立的,也不会有太大的问题,尤其是广义相对论的建立更是人类理性思维和科学发展的一个高峰!
而量子力学的建立则完全是一批物理学家的集体贡献,爱因斯坦也对量子力学的建立做出了重要的贡献,比如他于1922年被授予的1921年的诺贝尔物理学奖的颁奖词为:“对理论物理的服务,特别是发现了光电效应的规律。”“光电效应”是光的量子性的直接证据,而且是对原子的量子力学模型的直接验证。事实上,随着量子力学以及基于量子力学的粒子物理标准模型的发展,相关研究在诺贝尔物理学奖历史上获奖那是层出不尽,相信以后还会有。这些诺贝尔物理学奖标志着量子力学走向了成熟,虽然今后还会发展,但是其正确性已经毋庸置疑。
与此形成鲜明对照的是,爱因斯坦(为主)建立的广义相对论一百年来虽然已经成为了现代物理学的主要部分,而狭义相对论更是和量子力学一起构成了现代物理学的两个支柱,但是历史上不但爱因斯坦没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖,后来对于丰富广义相对论而做出了很多贡献的众多物理学家们也无人因此获得过诺贝尔物理学奖,这不能不说是物理学史和诺贝奖历史上的一个遗憾。
也许是因为爱因斯坦的光芒实在是太耀眼了,既然没有把相对论的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦,其他人也没有资格因此获得此奖!也许是爱因斯坦的贡献实在是太大了,后随的物理学家们不管做了多少工作,和爱因斯坦的工作相比都是微不足道!也许是爱因斯坦建立的理论体系太完备了,所有其他物理学家们的工作不管多么重要,也只不过是补充而已,并没有改变相对论的理论体系和结论。事实上,这些“也许”在很多人看来就是事实!
尽管如此,历史上还是有3.0次诺贝尔物理学奖不但和爱因斯坦以及相对论有密切的关系,而且可以看做是本次诺贝尔物理学奖的前奏。
0.5个诺贝尔物理学奖:1983年和Fowler分享了诺贝尔物理学奖的Chandrasekhar(钱德勒塞卡)。他获奖的颁奖词是“对恒星的结构和演化中的物理过程的重要性的理论研究”,而钱德勒塞卡在这方面最为重要的研究是发现了以前认为的恒星演化的最终产物白矮星必然有质量上限,这就奠定了理解中子星和黑洞形成的理论基础。上世纪60—70年代发现的中子星和黑洞都验证了钱德勒塞卡的理论的正确性,钱德勒塞卡获得了诺贝尔物理学奖可以说是众望所归。由于钱德勒塞卡的恒星演化理论的背后就是相对论和量子力学,这个诺贝尔物理学奖也可以说是奖励给了把相对论和量子力学同时应用到天体物理的一个重要发现。
0.5个诺贝尔物理学奖:1974年和Ryle分享诺贝尔物理学奖的Hewish。他获奖的颁奖词是“对发现脉冲星的决定性角色”(但是,实际上发现脉冲星的是他的学生Bell女士,她并没有分享此奖,而这也被认为是诺贝尔奖历史上的重大冤案之一)。很显然,发现脉冲星证实了钱德勒塞卡以及后来很多物理学家应用相对论和量子力学研究天体演化的理论工作的正确性。
1.0 诺贝尔物理学奖:1993年Hulse和Taylor分享的诺贝尔物理学奖颁奖词为:“对于发现了一种新类型的脉冲星,这个发现打开了研究引力的可能性。”他们发现的是一个双中子星系统,在其后的几十年中,利用这个以及后来陆续发现的双中子星-脉冲星系统,对广义相对论进行了各种精确的检验,至今没有发现对广义相对论的偏离。尤其是,双中子星轨道的衰减和广义相对论预言的通过引力波辐射的轨道衰减精确一致,也因此人们经常用Hulse和Taylor的这个观测和研究结果作为对广义相对论的引力波预言的观测验证。但是,确切的说,这只能算是间接验证,因为并没有观测到这个以及其他双中子星-脉冲星系统辐射的引力波,况且他们获得诺奖的直接原因是他们发现了这种天体系统,而不是对引力波的检验。
1.0诺贝尔物理学奖:2011年Permutter、Schmidt和Riess获得的诺贝尔物理学奖的颁奖词为:“对于通过观测遥远的超新星爆发发现了宇宙的加速膨胀。”这个奖不但和爱因斯坦本人有关系,而且对这个发现的“主流”解释也是以广义相对论为基础的。爱因斯坦在哈勃发现宇宙膨胀之前,曾经在他的广义相对论场方程里面引入了所谓的“宇宙学常数”,用来产生一个长程排斥力,用来抵抗引力,保持宇宙处于一个静态的状态。但是在哈勃发现了宇宙膨胀之后,爱因斯坦认为他引入了“宇宙学常数”是犯了他“一生最大的错误”,否则他就可以预言宇宙的膨胀。但是,如果在广义相对论的框架下解释早期宇宙减速膨胀、但是近期宇宙加速膨胀这个观测结果,我们还是需要在广义相对论场方程里面引入“宇宙学常数”,而目前对于“宇宙学常数”的物理解释就是宇宙中充满了未知的暗能量!
回顾这3.0个诺贝尔物理学奖,我们就会发现,尽管爱因斯坦的广义相对论已经是理解这些重大发现的理论基础,广义相对论早就被学术界接受为现代物理的基础理论的重要部分,而且“引力波”也是1993年诺贝尔物理学奖的那个观测结果的最合理的解释,但是无论广义相对论还是引力波都还没有被授予诺贝尔物理学奖!这和量子力学以及相关的物理学研究的情况相比有天渊之别!2017年的诺贝尔物理学奖授予了LIGO实验直接探测到并且发现了引力波,不但是众望所归,而是也对百年现代物理学做了一个了断!从今往后,扩展广义相对论理论并且发展和量子力学统一的量子引力理论的研究将进入一个新的时代!
尽管我对于现代科学史没有做过研究,但是据我所知,2016年2月11号LIGO团队发现的引力波在科学史上可能创造了两项之最:一是预言到发现之间时间跨度最长的科学发现,这个时间跨度是一个世纪;二是一个实验经历了最长时间才取得了正结果,这个时间是30多年。
爱因斯坦于1915年正式发表了广义相对论理论,第二年,也就是1916年就预言了引力波的存在。引力波就是时空的涟漪,毫无疑问是宇宙中最基本的一种波,而其他的所有的波都是在宇宙时空或者宇宙时空里面的介质里面传播。但是,由于产生可以观测到的引力波需要在时空中注入巨大的能量,爱因斯坦本人认为,人类永远也不可能观测到宇宙中的物理过程所产生的引力波。此外,由于爱因斯坦不相信奇点的存在,他认为宇宙中没有黑洞,所以自然就不会想到黑洞撞击并合有可能产生可以观测到的引力波,而LIGO团队于2016年宣布的2015年9月17号探测到的引力波恰好来自于两个黑洞的撞击并合!因此,爱因斯坦猜到了艰难的开头,却没有猜中精彩的结尾!
导致这次发现引力波的实验的历史起于上世纪70年代,今天的LIGO项目的创始人之一Rainer Weiss(雷纳·韦斯)那时候就开始发展激光干涉探测引力波的技术,随后和加州理工学院的Kip Thorne(基普·索恩)以及当时英国Glasgow大学、后来加入了加州理工学院的Ronald Drever(罗纳德·德雷弗)合作一起发起了LIGO实验(该实验也是美国科学基金会有史以来投资最大的科学项目)历经30多年,终于获得了第一个正科学结果,也就是探测到了引力波!不但这个团队几十年来初心不变,而且资助机构也不离不弃,这绝对是科学史上的奇迹!后来加入的Barry Barish(巴里·巴里什),主要负责LIGO科学工程和科学团队工作。因Ronald Drever不久前不幸因病去世,因此Barry Barish作为他们三位创始人之外的最重要贡献者获奖。
虽然这次的诺贝尔物理学奖对百年现代物理的发展做了一个了断,但是这对于引力波探测以及相关领域的研究却仅仅是一个开始!探测到引力波之前,人类对于宇宙的了解只是“看”,但是不能“听”,天文学家和整个人类面对宇宙只是聋子!引力波是时空的涟漪,如果我们距离引力波源足够近,时空的涟漪就会让我们的耳膜振动起来,我们就能够听到引力波。但是,由于我们距离引力波源太远了,就像我们需要借助强大的望远镜才能看到遥远宇宙天体的光一样,我们需要借助强大的引力波探测器才能听到遥远宇宙中的天体发出的引力波,因此引力波探测器就是人类的“助听器”,从此人类就不再是聋子了!
那么“听到”更多的天体发出的引力波有什么用呢?就像100年前物理学家们研究相对论和量子力学的时候没有人知道这些理论对我们有什么用一样,今天我们也不知道研究引力波对我们有什么用。但是相对论和量子力学建立之后100年我们的现代科技和日常生活都已经离不开根据相对论和量子力学的原理所发展出的日新月异的技术了,从半导体到超级计算机,从核能到GPS导航,从医学诊断设备到量子通信,无不是如此。100年后,谁知道引力波的研究会带给我们什么呢?科学研究的重要性就在于会带给人类完全预想不到的惊喜,其回报总是无数倍于其投资!
短期之内,引力波将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。利用进一步的更加高精度的引力波观测,科学家有望回答黑洞到底是什么?是数学家和理论物理学家们预言的奇点“数学黑洞”、还是我和我的学生刘元所预言的中心没有奇点的“天文黑洞”、还是为了保证量子信息守恒而推测的“火墙黑洞”、还是最近炒得很热的有“软毛黑洞”?广义相对论理论是最好的引力理论吗?能否测量到“引力子”?能够提供检验有些量子引力理论模型所需要的观测数据?除了促进黑洞和广义相对论的研究,探测到黑洞和中子星或者两个中子星的并合,将能够促进我们对于中子星的内部结构的理解,也许能够提供所谓的“中子星”其内部到底主要是由中子还是夸克组成的?
除了继续利用LIGO这样的仪器探测引力波,空间激光干涉引力波天文台(比如欧洲的LISA项目、中国的太极和天琴计划)将会“听到”完全不同类型的黑洞撞击所发出的引力波,这对于我们理解整个宇宙的结构形成和演化都会非常重要。而探测宇宙大爆炸前期的暴胀时期产生的宇宙原初引力波(比如利用中国正在建设的“阿里”原初引力波天文台),将对于我们理解宇宙的起源起着不可替代的的作用。
慧眼HXMT于2017年6月15号11:00顺利发射运行。
慧眼HXMT示意图
(本文原载于“科猫”APP,原标题:2017年诺奖:百年现代物理学,今天做了个了断!)
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关键词 >> 诺奖,物理学,引力波

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