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【2017年诺贝尔奖】如果他还在世,今天的诺奖有他的一份

王爽 发表于  2017-10-03 21:48

2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(KipS. Thorne)和巴里·巴里什(BarryC. Barish),以表彰他们领导建设激光干涉仪引力波天文台(简称LIGO),进而首次直接探测到引力波的伟大成就。

但遗憾的是,有一位苏格兰的物理学家,与韦斯和索恩同为LIGO的三大创始人之一,却与这个最著名的科学奖失之交臂。他就是刚刚于今年3月7日去世的罗纳德·德雷福。如果他还在世,同样能分享这次的诺贝尔物理学奖。

LIGO三巨头的初相遇

罗纳德·德雷福。图片来源:quantumfrontiers.com

人生的前40年,德雷福过得相当平淡。他按部就班地在苏格兰的格拉斯哥大学念完了本科和博士,然后又留校任教。1969年是一个转折点。那一年,美国物理学家韦伯宣布他用“韦伯棒”探测到了引力波的存在(重磅!三个探测器同时探到引力波!为什么“三”如此重要?|王爽专栏)。这个消息激起了德雷福对引力波探测的强烈兴趣,并促使他在上世纪70年代初走上了引力波探测的道路。

与自己的学生詹姆斯•霍夫一起,德雷福建造了探测能力更强的“韦伯棒”。但经过数年的搜索,德雷福完全没发现任何引力波存在的迹象;由此,他意识到 “韦伯棒”其实没什么前途。

与此同时,越来越多人开始关注用“激光干涉仪”来探测引力波的新方法。这种新方法是麻省理工学院教授雷纳·韦斯在1967年给研究生上课的时候想到的。

激光在日常生活中很常见,那么我来讲讲干涉。只要是两列物理性质相同的波(如水波、声波、光波),都可以互相叠加,而且叠加过程遵循以下的规律。如果两列波是波峰对波峰、波谷对波谷地进行叠加,那就会形成更高的波峰和更矮的波谷。如果是波峰对波谷、波谷对波峰地进行叠加,那就会互相抵消。这种两列波互相叠加的现象就是干涉。

干涉。图片来源:Wikipedia

下图就是韦斯提出的用“激光干涉仪”来测量引力波的原理图。从一个固定光源(下端的长方体)发出的激光,在经过一个半透镜(绿色线段)后会分成两束激光,然后沿两个互相垂直的方向继续前进。被反射镜(左端和上端的两个青色长条)反射回来以后,它们会重新汇聚并发生干涉,而干涉图案将显示在右端的探测器上。正常情况下,汇聚后的两束激光应该峰谷彼此对应(紫色圆圈)。但是,如果有引力波(黄色区域)经过,半透镜和反射镜之间的距离就会发生改变(引力波使空间发生形变的细节见:重磅!三个探测器同时探到引力波!为什么“三”如此重要?|王爽专栏),那么汇聚后的两束激光就不会再峰谷对应,从而使干涉图案发生改变(空心圆圈)。换句话说,如果在没有其他因素干扰的情况下,突然看到激光干涉图案发生了改变,就说明这个激光干涉仪真的探测到了引力波。

激光干涉仪测量原理。图片来源:lindau-nobel.org

激光干涉仪有一个重要指标,那就是半透镜与反射镜间的距离,也就是激光干涉仪的臂长。臂长越长,探测到引力波的可能性就越大。

一开始,只有韦斯一个人相信这种方法能探测到引力波;为此,他还自己造了一个臂长1.5米的激光干涉仪。但在1975年的夏天,韦斯在一个学术会议上结识了加州理工学院教授基普·索恩。

那次会议在华盛顿特区召开。当时华盛顿的游人特别多,导致索恩没订上酒店。韦斯很好心,让索恩和他共住一室。在酒店房间里,他们进行了一番关于引力波实验的长谈。这次长谈使索恩打定主意,也要进入引力波探索的领域。

但索恩是一个理论物理学家,对实验方面的事务一点都不擅长。所以,他必须找一个实验物理学家合作。恰好那时,德雷福刚在格拉斯哥大学造出了一个臂长10米的激光干涉仪,这让索恩刮目相看。所以1981年,索恩就把德雷福挖到了加州理工学院教授,具体负责建造干涉仪的工程问题。

被迫离开LIGO,终与诺奖无缘

德雷福是一个技术天才,在激光干涉仪的很多关键技术上都做出了突破性的贡献。在德福雷的领导下,加州理工学院很快就造出了一个臂长40米的干涉仪,从而在与麻省理工学院的竞争中占了上风。

1984年,美国国家科学基金会(简称NSF)要求加州理工学院和麻省理工学院的两大引力波团队合二为一。这就是后来LIGO的雏形。而韦斯、索恩和德雷弗则作为LIGO的共同创始人,担任LIGO的最高决策三人组。

但NSF不喜欢LIGO三人共治的管理模式。1986年,NSF撇开了这三大元老,直接指派时任加州理工学院教务长的罗克斯·沃格特(Rochus Vogt)来担任LIGO的项目负责人。

但德雷弗很快就与沃格特出现了非常严重的分歧。德雷弗主张循序渐进,应该先造臂长200米的干涉仪。而沃格特比较好大喜功,要直接造臂长40千米的庞然大物。由于性格和理念的不同,两人的矛盾逐渐变得不可调和。

1992年7月,沃格特向LIGO团队全体成员发了一封电子邮件,宣布德雷弗已被开除,以后再也不准踏入LIGO办公楼半步。

当年9月,德雷弗向NSF的学术自由委员会进行了投诉。这个委员会在10月给出了调查报告,承认把德雷弗开除出LIGO团队是不合理的。但是,这份报告压根没提为德雷弗恢复职位的事。

在引力波探测事业中居功至伟的罗纳德·德雷福,就这么被迫离开自己一手创建的LIGO。

不过沃格特也好景不长。1994年,表现不佳的沃格特被迫辞职。加州理工学院教授巴里·巴里希接替他,成了LIGO项目的新负责人。巴里希比较务实,提出要建臂长4千米的激光干涉仪。这个新方案终于得到了NSF的批准。这才成就了我们今天看到的LIGO。

后来,德雷福患上了老年痴呆症,住进了爱丁堡的一家养老院。2015年9月14日,LIGO首次直接探测到了一个被称为“GW150914”的引力波信号。这让德雷福与韦斯和索恩一起,拿遍了除诺奖以外的几乎所有重要的科学奖项。但遗憾的是,今年3月7日,德雷福因病去世,因而与诺贝尔奖彻底无缘。

那些与诺奖失之交臂的大物理学家

与诺贝尔奖失之交臂的物理学大师远远不止德雷福一人。下面,我再举几个同样让人扼腕叹息的例子。

在德国的慕尼黑大学,有一位非常有名的理论物理学教授,名叫阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld)。作为量子理论和原子物理学的开山始祖之一,索末菲做出了一系列重要的科学贡献:他推广了玻尔的氢原子模型,提出了角量子数和自旋量子数的概念,还发现了精细结构常数。除此以外,索末菲也是一个非常了不起的老师:他的学生里,先后有7人拿到了诺贝尔奖。这让索末菲成了历史上培养出最多诺贝尔奖得主的老师。

阿诺德·索末菲。图片来源:Wikipedia

这样的大牛,自然就成了诺贝尔物理学奖的热门人选。事实上,索末菲曾先后八十一次被提名为诺贝尔奖的有效候选人,但却一次也没拿到诺贝尔物理学奖。据说他无法得奖的一个非常重要的原因是,量子力学教父波尔一直在反对他。

还有一个倒霉的量子力学先驱,他就是德国物理学家帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)。约当曾做过两个后来获得诺贝尔奖的科研工作。在1925年,他与海森堡和玻恩一起提出了量子力学的第一个版本矩阵力学;海森堡和玻恩分别于1932年和1954年获得诺贝尔物理学奖。而在1928年,他又与维格纳一起率先写出反对易关系,这成了量子场论和费米β衰变理论的基石;维格纳也于1963年获得诺贝尔物理学奖。

帕斯库尔·约当。图片来源:Wikipedia

尽管约当的合作者全都拿到了诺贝尔奖,但他却一直与诺奖无缘。事实上,约当也算是咎由自取,因为他在第二次世界大战期间加入了德国纳粹党。

最后讲一个两败俱伤的故事。相信很多人都听说过“宇宙大爆炸”理论。这个关于宇宙起源的理论,最早由比利时天文学家勒梅特提出,然后被俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)发扬光大。

乔治·伽莫夫。图片来源:georgeslemaitre.blogspot.hk

这个理论认为,宇宙在创生之初是一团极度致密也极度炽热的火球;这团火球向外膨胀并逐渐冷却,最终演变成我们今天看到的宇宙。

伽莫夫宣称这个理论能解释今天所有化学元素都是怎么起源的。此外,他也预言那个火球会残留下来一些可以被观测到的古老光子,也就是著名的宇宙微波背景辐射。1965年,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,从而验证了伽莫夫的热大爆炸理论。这两人也因此而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。但解释了宇宙如何起源的伽莫夫本人,却没有获得诺贝尔奖。

伽莫夫没有获奖的一个重要的原因,就是剑桥大学教授弗雷德·霍伊尔爵士(Sir Fred Hoyle)的强烈反对。事实上,“大爆炸”这个名字,就是霍伊尔为了嘲笑伽莫夫的理论,而专门给它起的。在反对“大爆炸”理论的过程中,霍伊尔也做出了诺奖级的工作。

弗雷德·霍伊尔。图片来源:Wikipedia

霍伊尔发现“大爆炸”理论只能产生氢和氦这两种元素,后面的元素全都产生不了。那元素周期表中的一百多种元素又是从哪里来的呢?霍伊尔提出这些元素来源于恒星内部的核聚变,以及它们最终死亡时的大爆发。这个想法后来被霍伊尔在剑桥的同事威廉·福勒(William Fowler)发扬光大。由于这个贡献,福勒于1983年获得了诺贝尔物理学奖。但悲催的是,霍伊尔却没有获奖。

能获得诺贝尔奖的科学家,无疑都登上了科学的神坛。但不少没有得过诺奖的科学家,同样做出了一点也不逊于诺奖得主的科研工作,他们同样值得被后世所铭记。(编辑:婉珺)

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全部评论(9)
  • 1楼
    2017-10-03 23:06 在雨夜
    引用文章内容:索末菲曾先后八十一次被提名为诺贝尔奖的有效候选人,但却一次也没拿到诺贝尔物理学奖。

    不是说五十年不公布吗?八十一次是八十一年吗?

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  • 2楼
    2017-10-04 16:04 天降龙虾
    引用@在雨夜 的话:不是说五十年不公布吗?八十一次是八十一年吗?

    大概有些年份被提名了很多次。。。同一年的多个诺奖级项目中都有他。。。

    [0] 评论
  • 3楼
    2017-10-04 17:40 z1w1j
    引用@在雨夜 的话:不是说五十年不公布吗?八十一次是八十一年吗?

    还有可能是被提名别的奖,毕竟有大理综奖

    [0] 评论
  • 4楼
    2017-10-06 10:10 GraveDiggaz

    Arnold Sommerfeld(1868-1951)从1917年到1951年共被提名84次,都是物理奖。

    同一年份被不同人提名需累计提名次数,如离世年份1951年仍被4人提名,计为4次。他也是被提名次数最多的物理学家,可惜从未获奖。

    因诺奖只颁发给在世者,若只计算在世年份被提名的次数,排第一的应该是Otto Stern(1888-1969),共被提名82次(1925-1945),并于1943年获物理奖。

    顺便一说,爱因斯坦(1879-1955)共被提名62次(1910-1922)并于1921年获奖。最快得奖的是杨振宁、李政道(1957),从发表论文到获奖仅12个月。

    https://www.nobelprize.org/nomination/archive/show_people.php?id=8661

    https://www.nobelprize.org/nomination/archive/show_people.php?id=8779

    https://www.nobelprize.org/nomination/archive/show_people.php?id=2728

    http://blog.sciencenet.cn/blog-4395-1079232.html

    [1] 评论
  • 5楼
    2017-10-09 18:08 Lancer1

    今年的物理学奖已经挤进去三个人了,再来一个如何分享?

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  • 6楼
    2017-10-09 23:04 chicot
    引用@Lancer1 的话:今年的物理学奖已经挤进去三个人了,再来一个如何分享?

    就是的啊。

    这是骗文盲的标题党,还是微信朋友圈的烂鸡汤呢。

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-10-10 17:54 birdpeng

    丘吉尔欠莫塞莱一个炸药奖。

    因为丘吉尔愚蠢无比的土耳其冒险,年轻的莫塞莱无辜丧命。在战争所杀害的无数人当中,要数他的死给人类造成的损失最大。

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  • 8楼
    2017-10-12 20:16 右京样一

    因为约尔当加入纳粹党就说他得不到诺奖是咎由自取我觉得是不合适的。政治立场不应该作为学术成就的衡量依据啊……

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-10-14 09:06 yy2080
    引用@右京样一 的话:因为约尔当加入纳粹党就说他得不到诺奖是咎由自取我觉得是不合适的。政治立场不应该作为学术成就的衡量依据啊……

    但是什么体育不牵涉政治之类,全部都是鬼话,人类从来都是讲究权力和金钱

    [0] 评论

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王爽
王爽 中国科学技术大学理学博士,中山大学物理与天文学院研究院,科普作家。与李淼教授合著畅销科普书《给孩子讲宇宙》和英文学术专著Dark Energy。

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