WLA科学家说⑰ | 一旦错过再等27年,但终究还是等到了
2021-07-05
WLA上海中心
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  因对激光干涉引力波天文台(简称LIGO)和引力波的探测做出了决定性贡献,巴里·巴里什(Barry Barish)与雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)一同获得了2017年诺贝尔物理学奖。而他们对外宣布科研结果的时间,恰好是爱因斯坦发表论文预测引力波的100周年。他们的科研成果,相当于对百年现代物理学做了一个了断。但对巴里什来说,这是一个迟到27年的大礼。

  如今,已经入耄耋之年的巴里什教授依旧奋斗在研究前线,他曾强调:“在任何情况下,全力以赴都是最基本也是最重要的。”作为世界顶尖科学家协会(WLA)会员的他,曾多次参与世界顶尖科学家论坛(WLF),除了在“前沿科学”、“未来国际大科学”等分论坛带来引力波探测研究分享、探讨“大科学”装置与“小科学”好奇心的重要性之外,还认为,现在年轻的科学家们拥有比自己这一辈人当年更好的条件和机会,他们不仅能产生很多优秀想法,还能采用更多先进设备和工具,同时在如WLF这类论坛上,还能获得更好的交流与表达。

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巴里·巴里什参加世界顶尖科学家论坛 图 | WLF

曾想成为一名小说家

  1936年,巴里什出生于美国内布拉斯加州的奥马哈市,有一个小他四岁的弟弟。回忆起小时候的自己,巴里什的评价是“很安静,也是个好学生”。

  那时候他很喜欢阅读,从科幻到经典文学作品,尤其是意大利和日本文学。大量的文学书籍让他在十几岁的时候除了喜欢讲故事,还喜欢写作。被问到未来想做什么时,“想成为一名小说家”,他回忆道。他认为,小说是激发想象力的东西。后来的他还旅行过很多国家,也会去看这些国家主要作家的作品,通过学习他们的文化史去了解文学。

  而除了文学外,那时候的巴里什也喜欢运动,例如足球、篮球和网球。那时候他大多数的朋友都是通过运动认识的。高中之后他专注打网球,还赢得了一些荣誉。

  巴里什坦言那时候的自己对科学学科或数学并没有任何兴趣,尽管他数学成绩一直很好,还能在一些测试比赛中获胜;其它学业成绩也很好,是班上的佼佼者。“然而那时我并没有明确的方向,对学习的内容没什么概念”,他说,他的父母都没有上过大学,无法给他更多的指导;而家族里的其他人则希望巴里什和他弟弟能成为律师或者医生,但他对这两个职业都不太感兴趣,他弟弟倒是后来成了一名律师。

  于是,他决定申请加州大学伯克利分校,利用自己的数学天赋,攻读看起来还尚可的工程专业。一年级时,他选修了两门工程课——测量和工程制图,同时选修了法国文学、无机化学,以及高中没有的物理课。有趣的是,他很快发现自己并不喜欢那两门工程课,转而深深痴迷上了物理。他立刻转到了物理系,尽管那时候的他也“并不真正了解成为一名物理学家意味着什么”。

  从此,他便踏上了基础物理研究之路,这也成了他毕生热爱的东西。“唯一遗憾的是我放弃了在伯克利打网球”,巴里什说,自己的水平刚刚能进网球队,而网球队的训练会占据大量他在物理、化学等的实验时间,只能忍痛割爱。

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在网球队参加训练 图 | nobelprize.org

  1962年,他以优异的表现取得了伯克利高能物理实验博士学位,一年后成为加州理工大学的博士后。几年后,他晋升成为了加州理工大学的教授,并在此安家落户,开始了整个职业生涯。

错过1990年诺贝尔物理奖

  上世纪60年代,年轻的巴里什有一个和理查德·泰勒(Richard E.Taylor)合作研究一个项目的机会。但是,但因种种原因,巴里什拒绝了那个合作机会,错误地判断这个项目不会带来“大惊喜”。然而,后来那个项目的参与者们获得了1990年诺贝尔物理学奖。泰勒甚至还为此向巴里什开过玩笑。

  而就在上世纪70年代,还有另一个泰勒——射电天文学家约瑟夫·泰勒(Joseph H. Taylor, Jr.,WLA会员,可参看诺奖科学家也曾是上房拆烟囱的“熊孩子”)。他与罗素.A.哈尔斯(Russell A. Hulse)一起发现一种新型脉冲星的同时,也发现其逐渐延长周期时,会释放能量,其释放能量的方式和速度,与爱因斯坦广义相对论预测的引力波完全相符,为爱因斯坦广义相对论预言的引力波提供了间接证据。之后,他们于1993年获得了诺贝尔物理学奖。

  一次错过的诺奖,一次与引力波相关的诺奖,冥冥之中,仿佛也在暗示着什么。

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约瑟夫·泰勒参加世界顶尖科学家论坛 图 | WLF

接手LIGO后改造出“ALIGO”

  “我不觉得我不配。”巴里什也希望“写”出伟大的作品。

  机缘巧合的是,就在1993年圣诞节,当他刚从一个耗资百亿美元的超级对撞机大项目上“闲”下来,加州理工学院物理系主任就交给他一个任务——接手LIGO(激光干涉引力波天文台)项目:一个用激光探测方法探测引力波的项目!

  在此之前,加州理工大学和麻省理工学院团队先后启动了引力波探测项目。但是,来自外太空的引力波非常非常小——小到什么几乎察觉不到,由于没有技术优势,设备灵敏度不够,且两个团队间配合不是很好,他们研究的进展相当缓慢,美国国家科学基金会关注到这个项目后,就下令将两个团队合并,并投下该基金会成立以来最大的资金——3.65亿美元,组建LIGO。

  但是,重大工程建设并非易事。巴里什记得,他刚接手这个项目时,“工程基本处于瘫痪状态,情况很糟糕”。根据安排,他负责科学工程和科学团队工作。接手后,他重组LIGO管理层,也带进一些不错的科学家,并促进科学家们更好合作。

  经过努力,LIGO于1999年建成,在相距3000公里的华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿,分别建立了天文台。两个天文台都有更先进、更灵敏的引力波探测器,每个探测器都有两个互相垂直“干涉臂”,每个臂都有4公里长,里面装着直径1.2米的真空钢管及更多精密设备。

  根据实际运行情况,巴里什又于2005年起,采用更高功率的激光器和进一步减少振动的一些装置,慢慢地将LIGO进行改造成“ALIGO”(A即Advanced,先进的),其提升至极致的灵敏度,能使激光在引力波扫过时,根据“干涉臂”的长度探测到直径仅有质子直径万分之一的微小粒子!

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巴里·巴里什参加世界顶尖科学家论坛 图 | WLF

探测引力波证实百年前预测

  “我们做的是持续的探索冒险,就像没有人去过的新大陆。”巴里什直言,探测引力波是一种兴奋的设想,其实验过程非常复杂,像文学一样需要很多的创造力。

  在停止运行、升级许多新技术以后,ALIGO于2015年9月13日进入锁定状态,以便在不受干扰的情况下收集来自宇宙的庞大数据。

  奇迹很快就发生了。9月14日凌晨4时50分,利文斯顿天文台突然监测到异常信号,算法流水线通过自动分析数据,触动了警报器。早上7时左右,巴里什在加州的家中用餐时得到了这个消息。

  不过,爱好文学,具有浪漫情怀的巴里什,听到这个突如其来的好消息后,表现的不是激动。

  “我的第一反应是担心。”巴里什说,在LIGO观测前,曾有一个3人的秘密小组成立,专门“搞破坏”;听到消息后,他的第一个担心是:秘密小组的人是否又在观测数据中人为注入信号“搞破坏”?同时,由于“ALIGO”是全新的升级版本,他也有第二个担心:升级版本是否出现了“新问题”?

  出于对科学结果的负责,他和团队成员用了两个月时间严谨地排查,发现前面监测到的那个异常信号与“搞破坏”“新问题”等其它情况均无关。

  2015年12月,LIGO团队科学家收到秘密邮件:LIGO探测器记录到一个异常信号,由质量分别相当于29个太阳和36个太阳的两个黑洞合并时发出。他们在12月初写好了论文。

  “我们很幸运”,巴里什说。那一年的12月底,LIGO再次单独探测到引力波,信号来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的合并:两个初始质量分别为约14倍太阳质量和约8倍太阳质量的黑洞,合并成一个约21倍太阳质量的旋转黑洞,能量以引力波的形式释放。第二次的观测结果也帮助巴里什团队解决了很多之前的疑问。

  经过再次严谨论证后,2016年2月11日,LIGO团队正式对外发布消息:直接探测到引力波。这时,距离爱因斯坦发表论文预测引力波刚好100周年。

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图 | nobelprize.org

爱因斯坦“交响乐”未完可续

  比前面约瑟夫·泰勒和罗素.A.哈尔斯一起为引力波提供了间接证据更“实锤”的是,巴里什带领团队发现的引力波,为爱因斯坦广义相对论预言的引力波提供的是直接证据。

  这一发现,可以说是对百年现代物理学做了一个了断,圆了百年物理学的诺贝尔奖之梦——因为现代物理学建立的标志,就是百年前建立的量子力学和相对论。其中,量子力学方面,已有层出不穷的研究成果获得诺贝尔物理学奖,其正确性已毋庸置疑,其发展已走向成熟;相对论中,尽管狭义相对论已和量子力学一起构成了现代物理学的两个支柱,但包括爱因斯坦在内的众多科学家,都没有因为狭义相对论获得诺贝尔奖,而广义相对论,尽管已是理解宇宙暗能量等重大发现的理论基础,也早被学术界接受为现代物理基础理论的重要部分,但在此之前,还没有被授予诺贝尔物理学奖的发现和成果。

  专业人士认为,巴里什带领团队发现的引力波,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,也将扩展广义相对论理论,使发展和量子力学统一的量子引力理论研究进入一个新的时代。

  也许正因为如此,“错过1990年诺奖、又在27年后得到它”的巴里什用一种稍显浪漫的方式来评价引力波的发现,他说,这是“人类听到了爱因斯坦未完成的交响乐曲的第一个节奏”。

特约撰稿 罗水元
作者 冬青子
排版 杨 周
责任编辑 羽 华

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