2017年度诺贝尔物理学奖今天在瑞典授予雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什三位美国物理学家,以表彰他们在引力波研究方面的贡献,三人都在美国激光干涉引力波天文台(LIGO)工作 。那么引力波究竟是什么?发现引力波的意义究竟有多大?为什么发现引力波可以获得诺贝尔物理学奖?
宇宙可以看成这样一种存在,时间和空间是基底,物质编织在基底上;或者说时间空间是舞台,而物质是演员,在舞台上演绎我们日常所见的精彩事件 。物质通过电磁波和引力波不断辐射能量,只是引力波与物质彼此之间的相互作用非常微弱,所以虽然爱因斯坦早就预言了引力波的存在,但它不像电磁波这样容易为我们所感知,所以科学家们一直不能确认它的存在 。
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那么引力波究竟是什么呢?电磁波是物质之间相互交换能量和动量的现象,而引力波是物质和时空之间交换能量的现象,因此电磁波是物质引发物质的形变,引力波是物质引发时空的形变,是物质对它存在的时空本身的作用 。只是我们平时所见的物质质量太小,难以引发可观测到的时空扭曲现象,就像演员在舞台上表演,我们能够看到的是演员的挥手投足——电磁波,看不到的是演员引发的舞台形变——引力波(比喻,非真的引力波) 。即使是科学家们首次探测到的14亿光年外,两个质量分别为29和36倍太阳质量的黑洞合并,损失了3个太阳质量形成62倍太阳质量的新黑洞,其搅动时空所引发的引力波,也仅把地球上长达4公里的LIGO悬臂扭曲了不到一个质子直径万分之一的长度 。由此可见,要发现引力波是何等的困难!
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那为什么发现了引力波就可以获得诺贝尔奖呢?物理学的第一次革命是牛顿发现万有引力,奠定了经典物理学的基础,爱因斯坦的广义相对论则重新定义了我们的时空观,几乎将宏观世界的所有秘密都呈现在我们眼前;第二次革命是电子的发现,奠定了量子力学的基础,科学家们在微观尺度的不断探索,创生了现代化学、生物学等几乎所有现代科学学科,以及我们现代生活所需的所有物质成果 。
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广义相对论描述引力,量子力学描述其它三种力但不包括引力,当科学家们试图将二者结合起来充满信心地揭示宇宙的终极奥秘时,却沮丧地发现它们根本无法相容,在时空的最小尺度上引发了惊涛骇浪,“广义相对论的方程无法平息量子泡沫的喧嚣”(布赖恩·格林) 。引力波的发现,让我们第一次掌握了直接探测时空变形的工具,黑洞、暗物质、暗能量,这些无法用电磁波“看见”的东西,很可能会呈现在引力波的精彩世界里,和探测物质形态的工具电磁波结合起来,一个包含了所有宇宙时空和物质的量子引力世界正在向我们走来,爱因斯坦穷其一生追逐的万有理论很可能会在不久的将来成为现实 。
所以,引力波的发现获得诺贝尔奖,不仅众望所归,或许也是诺贝尔奖历史上分量最重的一次之一 。
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