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? 著名物理學家、諾貝爾獎得主丁肇中，圖片來自復旦大學

【編者按】：從瑞典斯德哥爾摩國王手中接過諾貝爾物理獎章不久后，三位諾獎得主雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什（Barry Clark Barish）12月17日現身上海復旦大學，從1976年諾貝爾物理學獎得主丁肇中手中接過“復旦-中植科學獎”。作為此次評審委員會主席，丁肇中在演講中回顧了引力波的探測歷史，并分別介紹了三位獲獎者的工作。

演講 | 丁肇中（著名物理學家、諾貝爾物理學獎得主）

2017“復旦-中植科學獎”將授予三位獲獎人，他們負責了激光干涉引力波探測儀項目的啟動和成功的運營。這三位獲獎人是雷納·韋斯教授、基普·索恩教授和巴里·巴里什教授。

愛因斯坦在1916年的時候，就曾預測引力波的存在。也就是他在發布了自己的廣義相對論的第二年，這個預測為他解決了牛頓力學在預測蘋果從樹上掉下來遇到唯一的一個問題。

牛頓的經典力學提出來有近兩百年的時間，它描述了引力方面的一些現象，但對于精確預測行星的運行軌道，精確預測潮汐，準確地描述蘋果從樹上掉落的原因，是有一定缺陷的。

愛因斯坦的廣義相對論，是在1915年提出的。他對于水星圍繞太陽運行的軌道進行了精確的預測，這已經充分地證明了廣義相對論的成功，但愛因斯坦又做出一個更為大膽的預測：因為時空在巨大的引力作用下，會發生彎曲，所以他預測在經過大質量天體的時候，光線會發生彎曲。我們可以在看日食的時候，通過觀測原來被太陽遮擋的天體來驗證愛因斯坦關于光線經過大質量天體會發生彎曲的這一重要的預測。

正是這一預測實驗的成功，使得愛因斯坦成為了一個家喻戶曉的科學家。愛因斯坦還做了什么預測呢？其實在1916年的時候，愛因斯坦又做出了第三次預測。除了電磁波之外，應該還存在其他引力波。但是我們花了四十年的時間，才讓理論界充分接受了引力波存在的這個預測。但那個時候大家普遍認為，引力波太弱了，要探測它非常困難。

前人已經做過多次嘗試，從約瑟夫·韋伯開始。他使用探測器試圖來探測引力波引起的、非常細微的形變。他在世界各地都放置了一些大型鋁制棒狀的探測器，整個實驗過程也持續了幾十年，但是因為探測屏太窄，探測器的長度非常有限，所以探測成果也是非常有限。之后有幾位研究者提出干涉測量法來探測引力波的新設想。這種探測方法的優勢在于可以擴大探測的頻段，同時通過加大探測器的長度，對于長度上極小的變化率進行更為精確的測量。雷納·韋斯教授是提出懸掛質量儀干涉系統的第一人，該系統的靈敏度可以高達10的負21次方，這個精度相當于質子大小的千分之一。

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

? 三位獲獎者以及頒獎嘉賓，圖片來自復旦大學

我們之所以提名雷納·韋斯教授成為這一屆“復旦-中植科學獎”的獲獎者，原因就在于他發明的激光干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎，他首次分析了探測器主要的噪聲來源，并領導了LIGO與其科學的研究，最終使得LIGO達到了足夠的靈敏度，讓我們在人類歷史上第一次探測到了引力波。

加州理工學院的基普·索恩教授是理論物理學家，他研究的領域是廣義相對論。他在早期就發現了引力波的巨大科學潛力，他發現了可能發射引力波的天體物理系統，描述了其引力波信號的特點，估計了這種信號的強度，并且推動了在廣義相對論支持下，引力波信號的計算和分析工具的研究。尤為重要的是，他在很早就意識到了用計算機求解廣義相對論中愛因斯坦方程的重要性，也就是所謂的數值相對論。經過了數十年的努力，在成功探測到引力波的前幾年，他的研究獲得了成功，這對于發現和解釋雙黑洞并合的信號，有著舉足輕重的作用。

基普·索恩教授成為2017復旦中植科學獎的獲得者的原因是：基普·索恩教授奠定了引力波探測的理論基礎，開創了引力波波形計算以及數據分析的研究方向，并對LIGO儀器科學做出了重要貢獻，特別是他提出了量子計量學理論的一系列基本概念。

第三位獲獎者是巴里·巴里什。他所領導的大規模實驗項目不但建設了激光干涉引力波天文臺，還將它的靈敏度提高到可成功探測引力波的水平。在巴里·巴里什教授的領導下，LIGO進行了一次重大升級，這次升級的技術目標，是將所謂頻段上的靈敏度提高十倍以上。最早的LIGO項目使用的是還不成熟的技術，而在完成了LIGO項目的初期建設之后，大約在2000年，巴里·巴里什開始組建高新LIGO項目，這是一個雄心勃勃的計劃。這個項目的目標是大幅提高該項目的探測精度，通過相關的設備升級，使高新LIGO可以探測原LIGO無法探測到的引力波信號。

這次重大技術升級之后，整個頻段上的探測靈敏度可以提高10倍以上。為了能夠實現這一目標，項目組應用了激光系統以增進高頻搜索精度，同時也通過多懸掛系統以及提高實驗質量的方法，對實驗當中產生的頻熱噪聲進行減噪，并且運用了新型主動隔震的系統。對于實驗來說，是一個非常重大的項目，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，也成功發現了30倍太陽質量級的黑洞，雙黑洞合并的一個關鍵。

正是出于這樣一個原因，我們建議把“復旦-中植科學獎”授予巴里·巴里什。他不僅建立了國際合作的基礎，而且把幾個人的科研小組的小科學成功地向大科學演進，從小科學領域轉化為涉及眾多成員，依賴大規模設備的一個大科學領域，他們的共同合作增加了引力波的探測成功的可能性。

最后，我想對于引力波研究的未來講幾句。LIGO已經成功地探測了雙黑洞并合過程當中所釋放出的引力波，同時也探測到了中子星的引力波，發現了在原來的廣義相對論當中，對于這樣一種引力波的出現和表現的一個準確的定義，當然也對一些相關領域的原則，進行了有效的測試。他們也發現新的科學研究領域，他們不無驚奇地發現，太陽系當中黑洞的存在，以及它們并合之后所產生的一系列效果，特別是出現雙致密天體的靠近、雙黑洞的并合以及旋進等過程當中的一些特殊性。

他們非常敏銳地捕捉到了在相關天體運行過程當中出現的特殊性，同時也通過一系列經過驗證的數據，證明了有關實驗原則的準確性。尤其是他們進一步奠定了黑洞研究的科學基礎，拓展了黑洞以及基于引力波研究的黑洞發展的研究范圍，這將成為未來的引力波和重力研究的相關學科進一步拓展的基礎。未來也將會對核物理以及核科學前沿技術的拓展起到重要的推動作用。特別是在天文物理學方面的一些既有的定理、公式和原理等，通過對天體物理學的拓展，而加以極大的提升。

最后，我們想說的是，通過此次引力波的發現，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，真正地為我們開創了科技的新紀元。

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