2016邵逸夫天文学奖平均颁予罗奈尔特.德雷弗 (Ronald W P Drever)基普.索恩 (Kip S Thorne)雷纳.韦斯 (Rainer Weiss),以表彰他们对「激光干涉仪重力波观测站」LIGO 的构思和设计。LIGO最近首次直接观测到重力波,为天文探索开创了一个新方法。而首先侦测到的非凡事例为两个星级质量的黑洞合并。

这发现于2016年公布[1],被誉为天文学上最有意义的发现之一,其重要性可从多个不同的角度观看。简而言之,以前只能通过电磁 辐射或高能粒子观察宇宙,现在LIGO却提供了第三个方法。因此,LIGO创建了一个全新的天文学分支,在完全缺乏其他天文信号的 情况下,都能让我们观察和研究天文现象。这项新方法有着革命性的影响,犹如射电天文学当年出现,脉冲星和类星体才跟着被发现。

LIGO直接观测重力辐射的存在,验证了广义相对论的一项基本 预测。认为这种重力波应该存在,一般论据是基于因果律,而如今LIGO发现了重力波,证明这种基本预期是正确的,令人深感满意。然而,LIGO探测重力波的最重要意义并不在于证实时空会呈现 微弱波动,因为通过双星系统内脉冲星轨道所呈现的衰减,这早已经间接被证实。真正重要的是所测获的重力波源于强力和剧变 的引力体系,而这个领域,正好能够展示黑洞的特性。

自从在1960年代发现类星体,黑洞一直是天文学界讨论的一个课题,但几乎所有对黑洞存在的论据都是间接的。在X射线双星,或是在星系的中心,我们看到质量巨大而又紧致的物体,除了黑洞以外,它们在标准的相对论引力理论中无从解释。不过,不同的重力学说可能会改变这个结论,例如提高中子星的质量极限;但由于没有直接探查 广义相对论的有关特征,譬如视界,便无法说明黑洞的存在。如果 能证明视界存在,将会是向前迈进一大步。(一些硏究计划,例如发展视界望远镜,便定此为目标。) 但是LIGO已经成功说明黑洞的存在;再者,它不仅探测到在强大引力下的时空结构,并且能观察其动态的演变。其间发出的信号,正如预期中一对黑洞合并的信号,甚至在最终形成单一黑洞的过程中,视界的响铃振动细节,都精确地与数值和分析计算所得的预测吻合,这一切都推动相对论引力的验证进入一个崭新的时代。

LIGO用了超过四十年的时间,集合许多科学家们的努力,才取得现在的成就,或许这是此工作最令人钦佩的特点。一直以来,LIGO计划总是紧密地恪守着于1989年提交给美国国家自然科学基金会 建议书中的构思进行。德雷弗和韦斯是实验物理学家,他们的风格 迥异。前者较凭直觉工作,后者则比较着重分析。索恩是理论物理 学家,专注相对论。LIGO的运作需要庞大的团队。有幸历届的项目主任皆能领导LIGO前进,遂步克服困难,提高仪器灵敏度,才能够探测到巨大物体高速运动时产生的非线性时空涟漪,如此大团队的协作成就,也许只有于2012年在欧洲核子研究中心发现 希格斯玻色子可以相提并论。
 
[1] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Observation of gravitational waves from a binary black hole merger”, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).


邵逸夫天文学奖遴选委员会
(译自英文原稿)


2016年5月31日  香港