Wednesday, May 16, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十二):柱面引力波与激光干涉仪

1930年代的爱因斯坦在推导引力波时曾经走了不少弯路,几经反复后才在罗伯森教授不动声色的协助下找到了引力波的数学形式。与熟悉的电磁波不同,引力波的主导表现形式不是平面波或球面波,而是很少见的柱面波。
引力波三维波形,在顺着传播方向上呈现圆柱形。

也正是因为这个柱面波,激光干涉仪才有了其用武之地。

柱面的引力波在与其传播方向垂直的横截面上表现为在该面上的两个垂直方向运动方向相反。东西方向在被拉长时,南北方向正好在被压缩;反之亦然。引力波经过时,横截面的空间便不断地在相继拉长和压缩。这样如果我们测量东西方向的长度与南北方向的长度,因为它们一个在拉长、一个在压缩,正好能够看出长度上出现不同。
引力波波形横截面的运动模式,在互相垂直的方向上运动方向正好相反。

费曼当年演示他的“粘珠论”画出的草图便是两个垂直方向的粘珠会有相反方向的运动。韦斯因此设计出他的激光干涉仪:在两个互相垂直的方向悬挂反射镜,测量两个光臂距离之差别而探测到引力波。

如果引力波恰巧从天顶(或地底)到来,那么沿着地面修建的干涉仪长臂正好是在其横截面上,两个长臂的长度一个会拉长另一个则会缩短而出现差别。这时的测量灵敏度会最高。如果引力波来自其它方向,那么干涉仪只能测到一定角度修正之后的效果,灵敏度大大折扣。而顺着地面而来的引力波就基本上不可能被测到了。

问题是,需要什么样的灵敏度才能实际地测量到引力波?


初生的婴儿躺着就可以自己手舞足蹈。小家伙逐渐能翻身、坐起、站立、行走、奔跑、跳跃……我们看着孩子这样地长大,不会去想到这是一个与重力较劲的过程。我们脚底下的地球非常庞大,它的质量所产生的引力足以把我们牢牢地束缚在地面。但这引力同时却也相当弱小,我们并不需要多么粗壮的肌肉就可以——至少暂时地——战胜它。

强壮的肌肉还可以让我们能够做更多的克服地球引力的事情,比如提举重物。人类还发明了各种工具,从简单原始的杠杆、滑轮到现代的巨型起重机。它们和肌肉一样,都是利用电磁作用力降服重力。至少在地球上,重力在电磁力面前不是对手。

不仅引力与电磁力相比本身就显得微弱(严格来说,它们之间并不具备直接可比性,故为“显得”),与相应的电磁波相比,引力波却又更弱了好多。

当年只有一支笔、几张纸的爱因斯坦对付复杂的广义相对论场方程还没有很好的数学手段。但他知道,相对论效应只在非常高速、非常大质量情况下才会凸显。在低速、小质量条件下便回归为经典牛顿力学。这样,可以从已知的经典解出发,用数学上级数展开方式逐步引入速度、质量带来的修正,便可以逐渐趋近相对论的结果。

在求解水星公转轨道近日点的进动时,爱因斯坦发现主要的修正来自水星的速度。修正项级数取决于水星速度与光速之比(v/c)。第一级修正值为零,广义相对论效应在第二级((v/c)2)中出现。修正后的数值果然比牛顿力学结果更符合实际观测,解开了一个物理学家困惑多年的谜,也是广义相对论的第一个成功验证。

他如法炮制,但展开到第四级((v/c)4)后依然没能看到引力波的踪影。于是他向施瓦西抱怨说这是因为引力不同于电磁力,没有偶极子。电磁场中有正负两种电荷,可以组成现成的偶极子。最强的电磁波便是由偶极振荡的辐射而产生。引力场来自质量。因为只有正质量而没有负质量,故不存在与电磁波对应的偶极振荡引力波。

爱因斯坦当时这个解释本身其实并没有错,他只是在引力波是否存在的问题上有点操之过急。我们现在知道引力波的确不可能由偶极子振荡产生,而是更高阶的四极子。在数学上需要引入更高的((v/c)5)展开项才能出现。因为通常情况下星体运动的速度远远小于光速,这个项的幂指数越高,修正效应越小。所以,除非速度接近光速,引力波的效应是微不足道的。

再因为是更高阶的效应,四极子振荡所产生的辐射强度远远小于偶极子。因此,即使高速情况下引力波的强度对比于相应的电磁波也会弱很多。在爱因斯坦研究的稳定轨道条件下,完全可以忽略不计。这正是我们不必担心地球绕太阳公转的运动会因为引力波能量损失而发生轨道塌缩的根据。

那么,韦斯他们又怎么能指望探测到引力波呢?

索恩自从在那本《引力论》教科书中轻率地否定激光干涉仪的灵敏度可能探测到引力波而被韦斯在旅馆房间里开小灶“教育”之后,就一直致力于这方面的研究。与爱因斯坦不同的是,他不仅有更成熟的现代数学工具,还可以用威力越来越强大的超级计算机进行模拟计算。

我们的宇宙是一个非常热闹的世界。除了像太阳系般的稳定轨道运动之外,还有太多的丰富多彩的“事件”,诸如超新星爆发、星体碰撞、黑洞吞噬等等。它们也都会引发不寻常的引力波。经过多番计算,索恩发现最有可能探测到的来自双星系统的崩塌:两个黑洞组成的双黑洞、一个黑洞和一个中子星、双中子星……等等。黑洞、中子星的双星系统之所以最引人注目,是因为它们的质量密度非常大,广义相对论效应非常强。两个这样的星体接近时,它们的速度也会越来越快,以至于接近于光速而使得(v/c)的比值不再那么极端渺小。

泰勒、赫尔斯和韦斯伯格等人对中子双星的追踪观察已经让这样的计算摆脱了纸上谈兵的困境,成为获得了验证的现实。双星系统的轨道的确在严格地按广义相对论描述的那样因为引力波辐射损失而逐渐塌缩。在这个过程中两个星体会越来越接近,速度越来越快,而发出的引力波也越来越强。直到最后那一刻,两个星体直接撞上、合二为一,激发出一个最强烈的引力波脉冲。然后,一切又会再度趋于平静。

美中不足的是,即使是那“惊天动地”的碰撞,所激发的巨大引力波“海啸”在抵达地球时也会已经耗散得几乎虚无缥缈。因为这些黑洞、中子星离我们都是异常地遥远。(这当然也是我们的福气,否则我们的太阳系没法稳定地生存。)

正如泰森在国会作证时所指出,引力波脉冲到来时,不过是把“绕地球一千亿圈的距离……改变不到一根头发丝厚度”。地球的周长大约4万千米。乘以一千亿是4x1015千米,大约是400光年。也就是说,我们要在光需要花400年才能走过的距离上寻找“不到一根头发丝”的变化。这大约需要达到10-22的灵敏度。

换一个说法是,LIGO的臂长是4千米,10-22灵敏度意味着我们要能测出这个臂长发生了比质子直径小一千倍的变化。这个精度要求在当时以及现在所有精密测量中都是绝无仅有的。

而也如泰森所言,因为这个变化只是来自双星合并那一刹那的辉煌,只有一个短短的、零点几秒的脉冲可供我们捕捉。

LIGO计划中所要求的2亿美元预算,韦斯、德瑞福、沃格特等人孜孜不倦地追求,便都是为了实现这个10-22灵敏度的目标。


巴里什接手LIGO后几乎立刻就看出沃格特申请的2亿美元——虽然听起来庞大——远远不够用。经验丰富的巴里什系统地审视了现有的团队、设计、技术方案,发现他们无法胜任10-22的目标。他必须重新组织团队结构,改变管理方式,更新技术手段,甚至将有些已有的设计重新从头再来。但迫在眉睫还是要力挽狂澜,挽救这个濒临死亡的项目。偏偏在这一点上他的处境突然变得双倍的艰难:他不仅要重新赢得基金会和国会的信心、信任,还必须说服他们反过来大幅度地增加预算。

经过一番斟酌,巴里什决定铤而走险,采取“丑话说在前头”的策略,乘着基金会对他这个新官还比较宽容的短暂“蜜月”机会,摊牌提出需要把预算增加至3亿美元。当然他不是只伸手要钱,还提出了沃格特一直未能提供的具体实施计划:

首先在两个已经选定的地点立即开工,在四年内完成实验室建筑、干涉仪长臂需要的管道和真空系统等一系列基础设施。同时继续在实验室里改进、完善激光、探测仪、镜片、电路等仪器。等基建完成后,再用两年半的时间在现场装置、调试这些仪器。这样,正好在世纪之交到来时,LIGO就可以开始正式运行,万事俱备等待着引力波的到来。

不过那时完成的还只是一个初期的“天文台”(initial LIGO),其主要目的是完成所有的安装和调试,进入实际运作状态以摸索、掌握所需要的各种技能和管理策略。这个天文台的的灵敏度还不足于10-21。是否能探测到引力波呢?这取决于能否凑巧碰到有距离很近的双星合并。如果运气好赶上了,也许就能测到。但那只是一个过于乐观的期盼,是一个有可能但不现实的目标。

巴里什计划的关键是在初期天文台的调试、运作期间,原有的科技团队还同时进行仪器的全面升级、现代化,准备推出下一代的增强版天文台(advanced LIGO)。大约在2010年左右,初期天文台将停止运作,其内部所有仪器全部拆除,更换为升级版的新仪器。这个增强版将会大大增强灵敏度,冲击10-22,是真正探测到引力波的希望。

1994年那个夏天,巴里什和索恩在首都华盛顿特区展开魅力攻势,竭尽全力地游说,终于赢得了基金会的首肯。基金会新上任的主管还罕见地亲自为他们背书,向上级推销这个计划。奇迹般的,3亿美元的新预算很快得到了通过。

不久,华盛顿州的干涉仪所在地破土动工。1995年初,路易斯安娜州选址也开始了建设。韦斯的小小激光干涉仪终于迈出了离开大学实验室、走向现实大科学的第一步。



(待续)


科普

Sunday, May 6, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十一):起死回生的接盘侠巴里什

1994年初,LIGO面临着生死存亡危机。韦斯、德瑞福、索恩组成的三驾马车早因为德瑞福被驱逐而散架,他们的车夫沃格特这时也被抛弃。虎视眈眈的国会正在寻找各种理由削减、甚至随时可能完全砍掉项目的预算。国家科学基金会则因为项目本身的管理混乱冻结了大部拨款。这一般就是他们资助的项目被判死刑之前奏,很少能有再度复活的先例。

加州理工学院自然不甘心。他们又一次需要找到一个足以力挽狂澜的领头人,而他们也再一次有着瞌睡遇见枕头的好运气:因为国会撤销了超级对撞机项目,大批高能物理的佼佼者突然失去了职业生机,正在茫然赋闲、另找出路。他们虽然专业上与引力波不那么搭界,却都是操持大科学、大项目的行家里手。而他们之中便有自己校内的巴里什(Barry Barish)。


巴里什的祖父母辈都是从东欧逃到美国的犹太人,在美国中西部内布拉斯加州定居。他的父母都在那里出生、长大、相遇。母亲中学毕业时得到内布拉斯加大学录取和奖学金,可她保守的父母坚持家族传统禁止女性上大学。她后来离家出走,早早地结婚生子。巴里什的父亲则因为自己的父亲早逝,从中学起就不得不辍学养家。因此他们俩都没能受到大学教育,因为这番经历和犹太人传统,他们一直重视子女教育,将大学梦寄托在年幼的巴里什身上。

巴里什自己从小喜欢读小说,梦想的是成为一个伟大的作家。中学时读了经典小说《白鲸记》(Moby-Dick)后,他却被其中极其详尽地描述鲸鱼生理结构的长长一章内容给镇住了。由此他幡然醒悟:既然写小说也需要掌握这么多科学知识,那还不如干脆去学理工科。

巴里什八九岁时就随家庭离开了中西部,搬到加州洛杉矶,在阳光海滩边长大。这时他最希望的是能进附近的加州理工学院。不巧的是他中学是春季毕业,加州理工学院却只在秋季招收新生入学。他只好先去了位于伯克利的加州大学,打算在那里先混半年。不料他却又很快爱上了那个校园,打消了转学的念头。

他开始上的是比较实用、有职业前途的工科专业,但发现处处不如意:上绘图课因为没有一丝不苟而被责备、上化学课因为擦洗试管不够干净被扣分、上测绘课因为扛着怪怪的测量仪器满校园跑被嘲笑……终于,他受够了,稀里糊涂地找到了物理系,一个不需要整天“刷盘子、扛大活”的清净专业。

那是1950年代,劳伦斯(Ernest Lawrence)正在伯克利发明他的粒子回旋加速器。还是大学本科的巴里什喜欢没事就溜进他的实验室观察,自己学会了操作那个古怪的新大家伙。在他自己还没有完全弄明白怎么回事时,他参与设计、操作的加速器在1955年发现了“反质子”(antiproton),后来赢得1959年诺贝尔奖。

1957年巴里什大学毕业时,伯克利还有政策不招收本校毕业生上研究生,以避免所谓的“近亲繁殖”。他申请了加州理工学院,顺利被录取。不料伯克利这时变了卦,又决定要留下包括他在内的少数几个优秀学生。于是他再度舍弃加州理工学院,留在了伯克利。

他不是一个循规蹈矩的研究生。与本科时一样,他总是在回旋加速器实验室自己折腾,想独立做科研,甚至拒绝找教授做导师。系主任对他无可奈何,“自荐”当了他名义上的导师,签字认可他自行其是。

1962年巴里什获得了博士学位。为了不与新婚妻子分离,他继续留在伯克利做博士后,继续折腾他的加速器。加州理工学院一名年轻教授注意到他的才干,鼓动他加盟加州理工学院。巴里什对这所他两度擦肩而过的学校也依然一往情深,尤其觉得她注重于寻找年轻新人,给他们良好的环境让他们自由发展,不像东部传统名校只喜欢四处挖角、寻求已经事业有成的名人。于是他欣然应聘。到校后,他很快与那里的费曼成了非常好的朋友,两人经常在校园里一起吃午饭、神聊。从来没有什么导师的巴里什后来说费曼是对他人生、事业影响最大的人。

只是巴里什在加州理工学院校园内的时间并不太多,因为学校自己没有加速器。他只能穿梭于有加速器的国家实验室、大学之间,设计、实施自己的试验。随着加速器规模越做越大,他自然地成为与大科学同生共长的新一代物理学家。在其后他的职业生涯中,他在布鲁克海文、费米、斯坦福等实验室之间游刃有余,几乎在美国所有大型加速器上都做过不同课题的试验。

1960年代末,他与几个朋友合作在斯坦福直线加速器中心新落成的加速器上做了第一个试验。折腾了一阵后他觉得没有什么前途自己提前走人了。六个月后,剩下的三个合作者发现了质子内部的夸克结构,后来获得1990年诺贝尔奖。巴里什也因此成为他们终身的玩笑对象。

巴里什自己当然也没闲着。高能物理试验规模大、周期长。这个领域大多数物理学家倾其一生专研于某一两个课题,不断地精益求精。巴里什则有所不同。他兴趣广泛,经常打一枪换一个地方,研究领域包括首次通过中微子碰撞测量到“弱中性流”(weak neutral current)、发现中微子存在质量和“振荡”的证据等等。此外,他还花了十多年时间寻找尚且不确定是否存在的“磁单极”(magnetic monopole)。


1990年代初,超级对撞机事业正是风生水起。这行业的物理学家除了在国会内外为预算拨款吵得不可开交外,他们内部还一直进行着与引力波项目非常类似的龙争虎斗,甚至也有着他们自己的“德瑞福”、“沃格特”——那就是大名鼎鼎的丁肇中(Samuel Ting)。

与德瑞福相似,丁肇中工作勤奋、精于创新,但同时也自以为是、专横跋扈,在同行之间口碑不佳,不被认为是一个具备团队精神的人。不同的是他早在1976年便因为发现“J/ψ介子”获得诺贝尔奖,因此享有着相当高的地位,不像德瑞福那样依然会受制于人。

超级对撞机选定了两个大实验项目,丁肇中负责其中之一。他提出一个7亿5千万美元的预算,并一再拒绝能源部将其缩减到5亿以下的要求。靠着他的名气和组织能力,丁肇中已经在中国、苏联和欧洲几国联系到合作伙伴,自认为可以自行解决短缺的资金,反对能源部插手干预。这个矛盾在审核过程中不断激化,最终导致丁肇中与能源部以及对撞机项目总主持人彻底闹翻,不欢而散。丁肇中自己全身而退,被遗弃的团队只好寻找一个能够收拾残局、挽救实验的能手,当时被选中的众望所归者便是巴里什。
1993年的巴里什。

巴里什很快整合了队伍,从头重新设计、计划,赢得了能源部、超级对撞机领导的认可,保住了这个重头项目。他也因此成为超级对撞机的主要领军人物之一。然而,就在他雄心勃勃准备甩开膀子大干一场时,超级对撞机突然被国会撤销,所有与之相关的项目便都嘎然而止。已经58岁的巴里什迷茫彷徨,只好收拾心情,准备再继续去寻找他的磁单极。


早在1976年索恩向加州理工学院提议开展引力波探测实验时,巴里什就是审查委员会的成员之一。在那之后,他一直作为同事远距离观望着这个项目的进展和混乱。

沃格特被基金会催促得焦头烂额时,还曾找过巴里什求教如何对付。巴里什向沃格特出示了他为自己的对撞机项目按部就班准备的各种材料和报告给沃格特做范本。不料沃格特只是扫了一遍后便嗤之以鼻,反过来教训巴里什不应该如此顺从官僚管理,浪费时间精力做这种没有意义的纸面文章。巴里什只得苦笑。

直到沃格特与基金会彻底闹翻后,加州理工学院临时组建了一个监督委员会处理后事。作为委员会成员,巴里什看到了基金会内部的同行评议报告,才开始深度了解这个项目内部的麻烦。这些报告的主调便是项目已经病入膏肓、无可救药,只能撤销了事。而这时,委员会也几乎一致地推荐、鼓动“赋闲”中的巴里什再一次扮演接盘侠,出马拯救LIGO。

巴里什对探测引力波这个课题本身很是憧憬。他知道,虽然在德瑞福、索恩、韦斯这些引力波领域的人看来,建造激光干涉仪极其复杂、工程浩大,在他这个习惯于在高能粒子试验中修建超大型设备、设计各种精准探测器的行家来说却还只是小巫见大巫,比超级对撞机的规模已经差了一大截子。如果召集起因为超级对撞机而“失业”的团队,他有把握承担这个项目,但问题在于他是否能够收拾起眼前已有的烂摊子。

稳重的巴里什提出给他一个月的时间做一个深度调查。他必须在确信自己能够促使项目成功的条件下才会同意接手。

可是,接下来的一个月里,他却是越来越郁闷。LIGO的问题比他想象的还更严重得多。因为沃格特对官僚的厌恶,他们几乎在1989年提交给基金会的那份申请后就再没有什么系统的文字材料。那之后的五年里,除了在国会争取到拨款,很难知道他们在技术上取得了什么进步。了解内情的是具体的工作人员。他们在经过了德瑞福、沃格特两次大动荡之后噤若寒蝉,各自将资料牢牢地锁在自己的文件柜里,对公开合作十分抵触。

一个月很快过去了,巴里什没能说服自己他能保证项目成功。但他已经没有更多的时间可以斟酌、彷徨,而同时探测引力波的魅力也越来越令他无力自拔。他只好退而求其次,说服自己也“没法证明这个项目就不可能成功”。于是,带着一丝盲目的乐观,他决定走马上任。

1994年2月,LIGO又有了新的主要负责人。


(待续)



Sunday, April 22, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十):惊心动魄的外争内斗

1990年,苏联的铁幕开始松动。布拉金斯基第一次被允许携夫人出国访问,两人在加州理工学院待了整整一个夏天,无比喜爱这里的环境。如果不是在莫斯科大学还有教学任务,他们也许会逗留更久。

然而,布拉金斯基也并不完全开心。短短的三个月里,他目睹了两位科学家辞职离开引力波项目。德瑞福的随性、沃格特的专横在激化着小团队的内部矛盾,人人“要脱一层皮”的经历似乎正在上演。

德瑞福热衷于自己埋头不断地、反复地改进、发明实验技巧。对他来说,这是一个永远不可能完成的过程。沃格特则正相反,他认定工程进度的要求不允许没完没了地纠缠于技术细节。于是,德瑞福认为沃格特是外行瞎指挥,沃格特指控德瑞福不具备踏实的科学态度,只是东一榔头西一棒子地瞎蒙(他倒也不得不承认德瑞福经常会蒙对)。为了更有效地管理,沃格特指定惠特科姆担任他的副主任,撇开了韦斯、索恩和德瑞福。

惠特科姆此前因为受不了德瑞福的专横跋扈已经辞职离开了,这时又被沃格特召回。他的主要任务似乎就是协调沃格特与三驾马车的关系,也就是新的婚姻调解员。为了顾全大局,索恩和韦斯都选择了低调,只是倔犟的德瑞福发现自己的处境很不妙。他与沃格特的分歧越来越公开化,发展到在每周例会上吵得不可开交。后来,沃格特开会时不再邀请德瑞福。会议进行时如果德瑞福自己来了,他立刻便起身离去。两人的明争暗斗不仅令团队、基金会头疼,而且逐渐被科技媒体获悉而公开报道,成为不得不解决的重大问题。

1992年7月,加州理工学院作为管理方出面宣布德瑞福不再是引力波项目的成员。如同被解雇的职员,他被禁止进入实验室重地,只能在有人监护下才能去取回自己的私物。紧接着,借着装修的机会,德瑞福办公室门锁被更换、通道被新砌的墙完全堵死。德瑞福眼睁睁地被自己最心爱的事业抛弃,身心俱焚。然而团队内部也鲜有同情他的同事。索恩后悔没能更多地理解他的个性。旁观的韦斯和布拉金斯基则有一致的判断:他自认为莫扎特(Wolfgang Amadeus Mozart)式的天才,却只是一个非常优秀的独奏家,不可能指挥一个乐队。

从此,引力波项目不再有三驾马车。


那几年沃格特焦头烂额,还不只是因为德瑞福。作为项目主任,他的首要任务是赢得国会的拨款。于是他成为职业游说家,几乎每星期都飞往首都华盛顿,在国会求爷爷告奶奶地逐个拜访议员办公室寻求支持。1991年,国会组织了一场听证会,邀请贝尔实验室的物理学家泰森(Tony Tyson)作为项目外的主要证人之一。

泰森也不是外人。他就是当年自制了韦伯棒然后与韦伯直接交换、核对探测数据的合作者之一。当时他为了校准自己的仪器有意注入了一些人为的虚假信号,却赫然发现韦伯把它们当作了他们同时测到引力波的证据。(泰森自己倒是测到过一个真实的信号:在阿拉斯加州进行的一次地下核试验把他的韦伯棒当作地震仪鸣响了。)

已经离开了引力波领域的泰森对干涉仪基本上抱支持态度,只是对高达2亿美元的投资能否得到相应的回报非常怀疑。他在作证时指出该资助申请“过度地高估”了能捕捉到引力波的可能性。为了帮助不懂科学的政客和公众体会到这个机会之渺茫,他形象地描述道:

想象一下绕地球走一千亿圈的距离。当一个很强的引力波到来时,不过是会把这个距离改变不到一根头发丝厚度的程度。我们大概只有零点几秒的时间能测量到这个变化。而我们还没法知道这个短暂、细微的变化是会发生在下个月、明年,还是三十年之后。

此外,泰森还有一个更现实的数据:他咨询了200来位天文学家,其中近170人反对投资这个项目。

当晚,泰森就接到了索恩的电话,他能听出后者很受伤。索恩又给泰森写了一封很详尽的信,引用这些年理论、模拟的结果证明他们并没有“过度高估”测量引力波的可能性。沃格特找到泰森,当面冲他发了火。泰森的电子邮件信箱也被项目内同行的来信挤爆。

三天后,压力山大的泰森向国会提交了一个补充证词,把他原来的话改成一句没有实际意义的“许多人觉得引力波的强度和发生频率在过去曾被高估过”。同时他明确表达了自己支持偶尔用大投资进行高风险科学探索的态度。

无论是1972年的原始论文还是1983年的蓝皮书,韦斯一直把他的干涉仪叫做“引力天线”,意思是这个仪器可以接收到引力波信号。在他们走向大科学之际,他意识到要有一个更引人注目的名称。在英文世界里,好的名字往往只需要有一个朗朗上口的缩写,并不在乎背后的全名。

凑来凑去,韦斯最后决定把他的天线改称为挺绕口的“激光干涉仪引力波天文台”(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),因为它有一个响亮的缩写:“LIGO”。
1989年提交的资金申请书封面,题目是《激光干涉仪引力波天文台的建造、运行和相关的研究开发》。

当泰森看到他要去国会为一个“天文台”作证时,自然就想到应该去找天文学家做一个民意测验。

相比于阵容庞大的物理学界,天文学界只是一个小团伙。因为天文观测需要建造、共享大型望远镜和数据,他们内部保持着非常紧密的协作关系,善于抱团取暖。每十年,他们组织专家对本行业未来十年的前景、目标进行全面的审视(Decadal Survey),为各种投资项目、仪器设备进行优先排序,然后井井有条地申请、分配国家科学基金会为他们提供的资金。

在过去二十来年里,尽管引力波曾经是重大新闻,天文学界一直没有把它放在心上。跟着韦伯、韦斯折腾的都是与天文不搭界的物理学家。激光干涉仪在他们的十年规划中从来没有过位置。它最多只在讨论时偶尔被提起过,但随即就因为不现实被否决。

当天文学家们从泰森的调查中知道居然有人在向国会申请2亿美元巨款建造一个他们不知情的“天文台”时都震惊了,绝大多数人自然地投了反对票。曾经与索恩打赌不可能在20世纪内测到引力波的奥斯特里克尤其愤怒。他本来就与泰森一样对索恩依据的数据持很强的怀疑态度,这时更公开谴责他的朋友这一不守规矩、破坏既有程序的不当行为。

当然这些天文学家们更担心的还是资金问题。在这一个项目上集中的大投资即使不把他们自己的小金库掏空,也会严重影响他们将来可能的拨款。如果国会、基金会有这笔大钱,他们的十年规划中还有很多更值得投资的项目可以提前实施,轮不到物理学家越俎代庖。

索恩和沃格特对来自天文界同行的反对和指责觉得很委屈。他们指出这只是“天文台”名字闯的祸:他们的干涉仪与天文学其实没什么关系,是一个“纯物理”项目。他们一再解释在此之前基金会对他们的资助完全都是从物理科目中支出,从来没有动过天文学的那块奶酪。如果国会通过这项拨款,也不会影响此后的天文学资助,因为这是单独的立项——为物理学的立项。

沃格特很清楚,听证会只是一个公关平台,天文学界的意见更不是决定因素,争取议员的关键在于诉诸利益。建造“天文台”有一个可以利用的诱饵是它的选址,无论建在哪里,当地都会因为这笔巨大投资受惠,是议员攫取政绩的好机会。他们先列举了几十个可选择的地点,遍布美国各地,吸引议员的注意、支持。

沃格特最注重的是东北部的缅因州,那里的民主党籍参议员米切尔(George Mitchell)是参议院多数党领袖,一言九鼎。他对这个自己州能受益又深具科学意义的项目非常支持,鼓动缅因州政府发行债券协助,并在国会积极推动议案。1991年底,国会通过了第一年的初期拨款。

可是,当基金会1992年初正式宣布选址结果时,缅因州却榜上无名。虽然基金会坚持其选择完全出自科学上的考量,沃格特却判断这是占据白宫的共和党人暗地里给米切尔使了绊子。无奈,他只好又费尽周折找到选址之一的路易斯安娜州的共和党籍参议员约翰斯顿(J.Bennett Johnston),在他办公室地板上铺开设计图,画起时空线,两人席地而坐出乎意料地畅谈了两个多小时。约翰斯顿被他天花乱坠的图景彻底折服,成为LIGO在国会新的吹鼓手。

1992年,国会有惊无险地通过了LIGO拨款法案。这时正是韦斯原始论文发表的二十年后。

国会议员们也不只是对LIGO斤斤计较,他们同时还面临着更严峻的抉择。

早先已经获得批准的能源部的那个“超导超级对撞机”项目的预算这时已经从原先的40亿美元暴涨到超过110亿,引起轩然大波。国会一再举行听证会,许多物理学家,包括声名显赫的诺贝尔奖获得者,公开作证反对继续投资对撞机。他们的理由与反对干涉仪的天文学家不谋而合:投资太大、时机太早、可能的受益太小;如果把钱砸在这一个高能物理项目上面,其余所有物理学家的资助前景堪忧……

航天局的国际空间站项目也遇到同样的麻烦。他们的预算与对撞机差不多大小,不同的是这时他们已经成功地游说日本、欧洲等参与、分担费用,成为真正的国际项目。对撞机也做了这方面的努力(日本、中国都曾一度同意加入),却效果甚微。

美国这时已经进入严重的经济萧条,捉襟见肘,不再有1980年代那样的雄心勃勃。国会认为这两个大项目最多只能供得起一个。1993年,上任不久的克林顿(Bill Clinton)总统签署议案,撤销了已经花费了20亿美元的超级对撞机项目。一时间,美国高能物理学界风声鹤唳,众多物理学家不得不临时更改科研方向,甚至另谋出路。

当2012年欧洲核子中心宣告成功地探测到希格斯玻色子时,美国人只能仰天长叹。他们当年的梦想这时只剩下在得克萨斯州荒郊野地里挖下的一条巨大的地下深沟和几幢废弃的大楼。
德克萨斯州地下废弃的为超级对撞机挖掘的巨型地道。

在那场震撼之时,没有人注意到在夹缝中存活的只值2亿美元的LIGO。


在成功赢得资助后,沃格特终于觉得自己是LIGO项目的真正主人。骨子里对上级权威的无比憎恨促使他想方设法让基金会靠边站,由他全权管理。在他眼里,基金会只要担负起从国会转账付钱的角色就可以了。为了便于管理,他没有立即扩大团队规模,依然维持着当初十来条枪的小队伍,其中大部分是听话的年轻职员和博士后。他希望这个精悍的团队能够完全服从他一个人的指挥,加班加点、艰苦奋战地完成巨大的使命。

因为德瑞福事件已经开始对沃格特的管理不放心的基金会无法理解他为什么迟迟没有组织起能够管理上亿美金预算的专业办公室,为什么还一直按兵不动,没有及时展开场地建设。他们开始质疑他的领导能力,要求他提交具体的工作方案、定期汇报进展。基金会又一再邀请专家进行评议,他们有些指出沃格特不是合适的领导人,有些更直截了当地提议撤销整个项目。

沃格特这时也已经与刚上任时判若两人。他对基金会的插手深恶痛绝,一再拒绝合作。在一次多方参与的讨论会上,他在基金会一位年轻成员提问时突然勃然大怒,面红耳赤地当堂咆哮。在场的韦斯和惠特科姆不得不全力将他硬拽出会场,他们知道已经无法继续袒护沃格特离谱的行为方式。

1993年底,忧虑重重的基金会冻结了LIGO基建方面的拨款。1994年1月,国会将LIGO的年度预算削减了8百万,项目又一次陷入绝境。加州理工学院再一次没有选择,决定撤销沃格特项目主任的职务。至此他只任职了五年多。

四分之一世纪之后,果真在沃格特手下经历了一场脱胎换骨但还“幸存”的索恩、韦斯不约而同地感叹,真正的奇迹不是我们终于找到了引力波,而在于我们当初居然没把这事彻底搞砸。


(待续)



Sunday, April 15, 2018

捕捉引力波背后的故事(之九):较真的加文和专断的沃格特

1974年在麻省理工学院举行的一次学术会议上当面指责韦伯出示的引力波数据存在学术不端行为,以至于两人差点动手打架的那位科学家是在国际商业机器(IBM)公司服务的加文(Richard Garwin)。加文是一个物理全才,也更是一位神话级的人物。他大学毕业后只用了两年就获得博士学位,导师是大名鼎鼎的费米(Enrico Fermi)。阅人无数的费米对加文的评价直截了当:他是自己一辈子遇见过的唯一的真天才。

博士毕业后,加文每年夏天跟着费米到核武器实验室游荡,那时才23岁的他顺手就帮泰勒(Edward Teller)设计了人类第一枚氢弹。从此他与美国政府、军界结下不解之缘,参与过多个绝密项目,包括最早的间谍卫星和针对苏联攻击的预警、防御体系。IBM对他尤其青睐,费尽心机将他招到旗下担任科技总管,还在合同中写明他作为公司雇员可以用三分之一时间为政府提供无偿咨询服务。加文因此得以自由地穿梭于政界、学界和商界之间,还多次担任总统科学顾问。

在IBM,加文随心所欲地涉足了多个物理基础研究领域,还顺带发明了一系列数据存储硬盘、激光打印机、触摸屏幕等实用设备,可惜公司管理层识人不识货,没能积极推广这些高技术的应用。加文后来也颇为后悔自己当时没有足够的魄力跳出来创业,也许可以改写近代计算机行业的历史。

韦伯宣布探测到引力波后,加文立即在IBM试图重复,当然没有成果。他没有简单地放弃,而是孜孜不倦地展开调查,终于发现了韦伯隐瞒他与合作者核对数据中发生的乌龙事件。他当众与韦伯对质,其后更不依不饶、穷追猛打。这不仅对韦伯个人伤害很大,也给了当时的引力波热潮最致命的一击。
1972年的加文(左)与他的同事James Levine和他们在IBM自制的韦伯棒。

年轻时的加文没有去亲眼观看自己设计的氢弹成功试爆,后来他更走向推动裁减、消灭核武器的立场,一辈子都在做这方面的努力。1980年代,他正忙于带领一个叫做“忧思科学家联盟”(The Union of Concerned Scientists)的组织在抵制、阻止里根总统发起的、绰号为“星球大战”的太空战略防御计划,反对太空武器化。

当他无意中听到引力波探测的项目居然又死灰复燃时不禁大吃一惊,立即找到国家科学基金会要求了解内情。他觉得探测引力波应该还只是一个很遥远的梦想,如果政府准备花费纳税人的上亿美元在这上面豪赌一把,那不能只是少数几个人说了算,至少应该要有更多的科学家了解、参与这个决策。

艾萨克森对加文的多管闲事正是求之不得。


德瑞福全职在加州理工学院上班后并没有改变他的行事方式,依然我行我素。更严重的是,他与韦斯在干涉仪的设计上有了原则性的分歧。

德瑞福坚持干涉仪中激光束经过的那两条长臂必须做成他已经研究很久的超大型法布里—佩罗谐振腔,这样才能保证激光频率的稳定和有足够的光强测量干涉条纹。他在这个基础上又发明了一个怪招:在探测仪前端增添一面镜子,把探测时不需要的光再度反射回那个谐振腔,大大增加了光强。

韦斯对这个奇妙的设计却一直提不起兴趣。谐振腔需要固定光源和反射镜之间的距离,使其恒定是激光波长的整数倍才有效。这样也就不能让反射镜随引力波振动,与迈克尔逊测量两个光路时间差异的原始设计相违。如果采取德瑞福这个设计,韦斯自己十来年依据迈克尔逊经典设计所积累的大批经验便失去了价值。而韦斯的设计也有长处,可以大大降低对激光光源性能的要求。

两人各持己见,不相上下。作为这场被迫的婚姻的职业调解员,索恩显然是非常地不称职。他试图在两人之间斡旋,却既没有足够的实验知识服人,也没有权威一锤定音,只好不了了之。愤怒的德瑞福经常呛索恩,指出当初索恩到苏格兰请他时曾许诺是由他完全主事的,却成了一个言而无信的骗局。索恩无言以对,只能苦笑。

韦斯意识到他们已经完全无法共事,每次讨论都有演变成吵架的危险。他选择了退避三舍,带着自己的队伍躲在麻省理工学院把那个1.5米长的干涉仪扩展到5米,用它来研制一些大型干涉仪所需要的部件。

转眼间两年过去了,三驾马车所承载的引力波项目基本上毫无实质进展。基金会暂停了资助的延续,不得已的艾萨克森已经在认真考虑是否放弃、撤销整个项目。加文的不请自到无异于雪中送炭。他立即请加文组织专家队伍,作为第三方对项目进行全面、彻底的同行审议,以资决策。

1986年秋天,加文邀请了物理学界一批大师级的人物,从诺贝尔奖获得者到各方面专家以及负责过大科学项目的能人等,把他们关在麻省理工学院的一个会议中心整整一个星期,对引力波探测项目进行了全方位的审理。他布置了三大课题:第一,引力波是否存在?第二,引力波能不能被人类测到、激光干涉仪的设计是否可行、是否值得基金会的投资?第三,现有的团队是否能胜任这一任务?

第一个问题很简单。在精确测量到双中子星轨道衰减之后,已经没有什么物理学家还在怀疑引力波的存在。加文自己对第二个问题抱着很强的怀疑态度,但他惊讶地看到专家们也一致地对用激光干涉仪探测到引力波充满了信心,对基金会的计划没有异议。

然而,专家们对现有团队的评价也惊人的一致:不及格。他们看出韦斯、索恩和德瑞福完全没有管理大项目的经验和能力,还只是在以小作坊的方式各行其是。这样下去不可能有成功的希望。他们建议基金会在完全注入资金之前,再给他们两三年时间整顿、考察的机会。当务之急则是要设立一个专门的项目负责人,担负起球队教练、乐队指挥的责任,将这些散漫的物理天才们整合成一支步调统一的队伍。

也就是说,要给三驾马车找一个车夫。

艾萨克森对这个结果非常满意。专家评议的结论不仅提供了他继续支持引力波项目的后盾,也同时递给他下一步需要的尚方宝剑。他立刻又举起了手里的枪,这次不是直接对准韦斯、索恩或德瑞福,而是负责项目管理的加州理工学院:如果你们不能很快地找到一个称职的负责人重整这个项目,就不要再想得到资助。

几乎同时,加州理工学院主管学术的副校长沃格特(Rochus Vogt)被迫辞职了。


沃格特的青少年时代是在纳粹统治下的德国度过的。1945年德国投降时他才15岁,却已经被征了兵,旋即成为反法西斯同盟国的战俘。这个经历让他痛恨极权政府,也因之鄙视所有权威,渴望能自己独来独往。

战后,他回到被战争摧毁了的农庄,进入炼钢厂打工。因为对机械的兴趣,他考入当地的一所技术学院进修工程师课程。在学校里他却发现更感兴趣的是物理课和国际象棋。他花了一年的时间逃课去街上与人赌赛象棋,赢了不少钱来维持生计和学业。只是教授不乐意了,给他最后通牒:要么放弃象棋,要么放弃物理。他从那时起再没有下过一盘棋,只是一直热衷于收藏棋子和棋谱。

集中精力研习物理后,他进入著名的海德堡大学并在毕业时获得去美国留学的奖学金。那是美国参议员富布赖特(J. William Fulbright)在二战之后主持设立的一个促进美国和其它国家交换学生、学者的项目。沃格特刚到美国就结识了一位项目中一起接受培训的法国姑娘。这两个来自战争仇敌国度的年轻人结婚时,引用了富布赖特阐述国际学术交流的一句话:“他们也许有可能发现不再需要兵戎相见而解决他们国家之间冲突的新途径。”

沃格特用奖学金到芝加哥大学研究天文物理,还参与了南极宇宙射线测量项目。1962年,他受聘来到加州理工学院,深深地爱上了这个校园,扎下了根。因为厌恶官僚手续的麻烦,他没有立刻加入美国国籍,但已经全身心地成为美国人。

在加州理工学院的喷气推进实验室,沃格特主持了美国航天局资助、目标是走出太阳系的“旅行者”(Voyager)飞船上测量宇宙射线的项目,也负责过大型毫米波段天文望远镜的建造。在这过程中,他逐渐完成了从科学家到科研管理的角色转变,相继在实验室、系、院各层次担任过主要领导职位。1984年,就在旅行者飞船开始向地球传回大量激动人心的数据时,他忍痛离开了心爱的项目,专心担任起加州理工学院副校长。

蔑视自己头顶权威的沃格特在这个过程中却也越来越明显地表现出自己独断专行的管理风格。虽然他在副校长位置上为学校做出了不俗的贡献,他与校长谷德伯格却一直合不来。两个性格倔犟的物理学家围绕政策方针人事等方面发生了一系列冲突。1987年2月,沃格特不得不在谷德伯格的压力下辞职。

失意的沃格特回到物理系,只在地下室厕所边拥有一间小办公室。他不愿意再回到旅行者项目中去抢过去同事的风头,却也一时半会儿找不到合适的科研方向。楼上的索恩注意到这位赋闲中的“大领导”,觉得他可能正是他们所需要的车夫。

索恩并不了解沃格特,便去找人打探。一个为沃格特工作过的同事告诉他,沃格特主持的项目可以说不会有失败的可能。只是谁跟着他干都会落得伤痕累累,不过也会很值得。索恩当时只听到前半截话,那对他来说就足够了。韦斯也得到了同样的情报。有人警告他在沃格特手下走一趟,绝对会脱胎换骨,不再会是今天的自己。同样地,韦斯没有太放在心上,他关心的只是沃格特能带领项目走向成功。

德瑞福没有在意具体的人选。他曾几次自己飞到首都华盛顿与艾萨克森单独谈话,试图说服他改变另找负责人的决定。艾萨克森冷静但坚决地回绝了他。虽然已经在加州理工学院干了很多年,德瑞福一直觉得自己还是个外人。他没有想到去打听一下沃格特的性格特点,更没有人警告过他会有被扒一层皮的危险。

经过一番劝诱,沃格特在1988年夏天同意担任引力波项目的主任,三驾马车有了他们的车夫。他果然雷厉风行,上任伊始便拍板采纳德瑞福的法布里—佩罗谐振腔设计方案,指令无论是加州理工学院还是麻省理工学院,都必须全心全意地为这个设计努力。同时,他制订了目标明确的科研计划,将实验室日常工作纳入了按部就班的正轨,不再允许科研人员被德瑞福一日一变的新主意支使得团团乱转。没多久,整个团队的面貌便焕然一新。
1990年索恩、德瑞福和沃格特(从左到右)在加州理工学院的激光干涉仪前合影。

1989年,沃格特完成了他新官上任最迫切的任务:将韦斯的蓝皮书具体化为资助申请书,提交国家科学基金会。

他们在申请书的导语页上引用了意大利学者马基雅维利(Niccolo Machiavelli)1513年所著的《君主论》中的句子来描述这个项目的风险、意义和决心:

天下再没有更难的事可以着手
需冒着更大的险恶
或者更无法确定能否成功,
可以相比于走在前头
去引入一个全新的秩序。
沃格特等1989年提交的资金申请书导语页。

他们这时提议的干涉仪已经加长到4千米,预算也增至将近2亿美元。如此之大手笔,其目的——申请书指出——不仅在验证广义相对论,更是要为人类“打开一扇在本质上不同于过去电磁和粒子手段的观察宇宙的全新的窗口”。

基金会对沃格特的工作极为满意。1990年,他们正式批准了干涉仪计划。

不过基金会的批准只具备象征意义,因为他们的常规预算中并没有这一笔钱。的确,基金会年度预算中天文领域的全部资金也不到1亿美元。从其诞生到现在,基金会还从来没有接触过如此规模的项目。为了打开这个“全新的窗口”,他们还必须向国会申请专项拨款。

进入1990年代,现实世界正在经历着一场天翻地覆的变化。强劲的美国此时也疲态频现,经济危机正在降临。


(待续)



Wednesday, April 4, 2018

捕捉引力波背后的故事(之八):枪口下的强迫婚姻

物理学家深信自己的领域是在探索自然的终极真理,其它如化学、生物,只是物理在更复杂系统中的应用。工科则不过是在用已有的知识解决一些现实问题。他们常常会对某课题不屑一顾道:“这不是物理,只是工程”。

经过几十年的探索,寻找引力波的课题在1980年代逐渐离开了作为科学的物理领域,转化为一个修建大型激光干涉仪的工程问题。这样的一个项目能否成功,关键已经不再取决于韦斯的远见、索恩的理论或德瑞福的奇技淫巧,而基本上决定于一个字:钱。如何获取、使用及管理所需要的巨额资金,是这几个物理书呆子从来没有预料过、准备过的另类挑战。

1969年通过的曼斯菲尔德修正案禁止了军方对民用科技的资助后,美国政府在物理类科研的投资主要通过三个部门进行:能源部(DOE)、航天局(NASA)和国家科学基金会(NSF)。

能源部下辖二战中研制原子弹和雷达技术所延续下来的几个大型国家实验室。战后,以大型加速器、对撞机为代表的高能基本粒子实验是他们的拿手好戏,也是所谓“大科学”的鼻祖,在物理类投资中,能源部包揽了将近一半的金额。

1957年苏联成功发射了人类第一颗人造卫星,引发美国上下一片“我们落后了”的危机感,给战后的基础科学研究打了一针强心剂。美国旋即成立了航天局,与苏联展开太空竞赛。自然地,航天局也逐渐担负起利用人造卫星、宇宙飞船等工具进行天体物理测量、研究的课题资助,比如韦斯负责的宇宙微波背景辐射项目。

相对而言,1950年成立的国家科学基金会就差远了。创办这个基金会的初衷是要统一管理生物医学之外的基础科学研究(生物医学已经另有国家卫生研究院(NIH)主持),但这个目标在各方利益博弈的联邦政府中没能实现。基金会开始只是资助大学教授各自为战的“零售”科研,后来才以建造、管理一些诸如天文望远镜的设施方式开始有了自己的“大项目”。与能源部、航天局相比,却还是小巫见大巫。
美国国家科学基金会会标和口号:“发现从这里开始。”
1980年代也是美国的一个黄金时代。逐渐摆脱了1960年代社会混乱、1970年代经济滞涨的美国进入一个高速发展阶段。在乐观的形势下,科学家们也都跃跃欲试,希望政府能更大规模地投资于基础研究,在科研上做出划时代的突破。

1983年,美国高能物理领域提出要建造名为“超导超级对撞机”(Superconducting Super Collider)的粒子加速器,目标是达到足够的能量,寻获众望所归的“希格斯玻色子(Higgs boson)”。当时欧洲核子研究中心(CERN)正连续地发现电磁和弱相互作用统一理论中关键的几个“中间玻色子(intermediate vector bosons)”,在高能物理独领风骚。发现自己落后了的美国的物理学家希望通过能源部的这个大手笔一举夺回领先地位。

航天局也在积极准备他们的下一个大动作。1984年初,里根(Ronald Reagan)总统在国情咨文演说中提出要在十年内开始建造在地球轨道上运行的大型永久空间站,亦即后来的“国际空间站”(International Space Station)。


也是在1983年10月,韦斯终于完成了他花三年时间的激光干涉仪前期可行性研究,向国家科学基金会提交了一份题为《一项关于长基线的引力波天线系统的研究》的报告。与他十一年前在麻省理工学院发表的论文不同,这篇报告内容不是科学上的设计,而是属于工程范畴的规划。为此,韦斯专门聘请了两家精于承包诸如加速器建设的商业公司来评估建造大型干涉仪所需的材料、施工、管理等各方面开支。这份全面、详尽的报告后来被称为干涉仪项目的“蓝皮书”。它建议在美国境内选取两个不同的地点分别建造两个臂长一千米以上的干涉仪,初步估计需要至少七千万美元。
韦斯1983年10月提交给国家基金会的“蓝皮书”报告封面。
显然,这个规模的预算远远超出一两个学校所能负担的极限,只能期望政府出资。

幸运的是美国科学基金会内部天体物理方向的主管艾萨克森(Richard Isaacson)对韦斯的提议情有独钟。他自己就是惠勒学生、教科书《引力论》作者之一米斯纳的学生,正是引力波领域的内行。在1940年代胡宁曾经参与过的那场双星系统中引力波是会引起轨道衰减还是膨胀的“盲目”争论之后,艾萨克森在1968年发表了引力波辐射会造成双星轨道衰减、塌陷的论文,是该课题中第一个真正令人信服的理论推导。

自然,他一直热情地关注着这个领域的动向。他与韦斯是很好的朋友,两人经常碰面,习惯于一起在湖边散步、交谈。加州理工学院建造40米长干涉仪的行动更触发了他的迫切感:他敏锐地看到这是在开创一个全新的物理领域,会有广阔的前景。财大气粗的能源部和航天局似乎都无缘涉足,正是他的基金会可以大显身手的好机会。在他的撮合下,基金会开始资助加州和麻省两个理工学院的引力波研究,包括韦斯主持的蓝皮书。


1983年的德瑞福已经在加州理工学院半职上任了五年。在这期间,他一直孜孜不倦地在美国和苏格兰之间来回奔波。因为他有一半时间不在岗位,索恩又聘请了惠特科姆(Stanley Whitcomb)负责实验室的工作。格拉斯哥大学的实验室则有德瑞福原来的助手休夫替他照应。这样德瑞福可以更自在地做空中飞人。这个安排看起来很不错,却很快就陷入了僵局。
德瑞福(右)和惠特科姆在加州理工学院的引力波干涉仪上的工作照,左右那两根管子便是各40米的两根“长臂”。
刚愎自用的德瑞福自认是这两个实验室的太上皇,完全不把惠特科姆、休夫以及他们各自团队成员当作平等的合作者,而只是给自己打下手的伙计。他主意又多又快,每天早上一到实验室就拿出晚上想到的新点子让人去尝试,却很少还记得自己前一天刚刚发过的指令。于是那些伙计们每天都像无头苍蝇一样忙乎,无法按部就班地进行系统的科研。

德瑞福高高在上,知道大家对他不满也不以为意,视之理所当然。他尤其喜欢在空中那近乎与世隔绝的十来个小时,可以一个人静静地思考。无论在大西洋的哪一边,一下飞机他便拿出又一个新颖的想法交给当地的伙计去尝试。

格拉斯哥那边是他的自己人,也因为文化传统一直对大教授容忍、客气。美国这边则怨声载道,经常出现德瑞福来之前就担忧过的顶撞、冲突。加州理工学院对他这脚踏两只船的心态失去了耐心,给他发出最后通牒:要他在两个学校中自己选一个定居下来,希望这样能改善同事关系。

德瑞福非常纠结。虽然他更喜欢家乡的环境,但终究还是放不下美国这边财力的诱惑。他终于辞去了格拉斯哥大学的位置,成为加州理工学院的全职教授。


韦斯的蓝皮书是他的麻省理工学院团队与他聘请的两个商业公司的合作结果。作者名单中除了他们几个人之外,也包括了加州理工学院的惠特科姆,却没有索恩或德瑞福。

德瑞福是在韦斯已经定稿,准备向基金会提交之前才知道有这么回事的。那年夏天,他们在意大利的广义相对论会议(“GR10”)上聚到了一起。晚上,韦斯在旅馆房间里同索恩和德瑞福分享了蓝皮书的内容,说明他们必须合作才有可能将这个计划付诸实施。德瑞福一听就炸了,当着韦斯十来岁的儿子大发雷霆,强调他之所以决定全职到加州理工学院,就是为了自己能主持引力波探测。他不需要韦斯来横插一杆子,更没有与韦斯合作的必要。韦斯当时还没与德瑞福直接打过多少交道,不禁目瞪口呆。无奈的索恩也只能竭尽全力试图让他平静下来。

的确,德瑞福对韦斯背着他的自作主张极其恼火。他也从根本上反对蓝皮书中“一步到位”、马上建造长达一千米的干涉仪的建议。他认为当务之急是完善现有的40米模型,然后以取得的经验逐步加长、扩大,循序渐进直到成功捕捉到引力波。而且,他心底下还觉得,凭着他的心灵手巧,通过技术、仪器上的不断改进,可能并不需要很长的干涉仪就应该能成功地探测的引力波,没有必要兴师动众地浪费钱财。毕竟,他更心仪土法上马、因陋就简的实验方式。

德瑞福自己是看到韦斯的设计才进入干涉仪领域的。他对韦斯的早期工作非常佩服,认为韦斯独自开创出了一条可行的道路。但那已经是十年前的事了。在德瑞福的眼里,韦斯这十年一事无成,只是抱残守缺,在他1.5米长的螺蛳壳中做道场。干涉仪的一系列技术突破都是他在加州理工学院和格拉斯哥的成就,他已经完全拿下了这根接力棒。(韦斯则对德瑞福的“法布里—帕罗腔”深表怀疑,这时更看重的是德国比令实验室的一些贡献。)在他看来,韦斯这时来插足,不过是试图到他这里分一杯羹,甚或取而代之。

谁都明白,成功地探测到引力波会是科学史上的重大突破。而主持该项目的主要负责人会自然而然地成为诺贝尔奖的不二人选。在德瑞福和韦斯围绕战略、战术激烈争论的背后,已经开始有了为将来搏取上位的阴影。在韦斯提交了蓝皮书之后,他们三人陆续不断地跑基金会游说,各展其才:索恩勾画出美妙的天文图像、德瑞福表演五花八门的实验技巧、韦斯提供具体的工业化数据……他们都很令人信服,唯一缺乏的是一个共同、和谐的计划。基金会人员从每一个人那里听到的是“我们能做到”的信心,却无法弄明白他们准备如何去做。

艾萨克森终于失去了耐心,他决定在现有的40米长模型之后建造的下一个干涉仪必须是足够能探测到引力波的实用仪器,而不是又一个更大一点的模型。显然,这个决定更倾向于韦斯的眼光。要实现这一点,基金会不能再继续分别资助两个学校,而必须把劲往一处使。于是,他利用手上掌握的财权下令:要想得到基金会的资助,他们不能再互相拆台竞争,必须协调合作,组成一支统一的队伍。他“建议”由韦斯、索恩、德瑞福三人组成联合领导小组,按照俄罗斯传统把他们叫做“三驾马车”(troika)。

德瑞福非常不爽。他舍弃了格拉斯哥大学中说一不二的地位来到美国,便是要利用这里的条件继续他的随心所欲,绝没有与他人平起平坐的打算。但在基金会卡断钱源的威胁下,他却也不得不屈就。韦斯从一开始就知道要实现他的计划,双方必须走合作的道路。虽然他这时已经无法看好与德瑞福共事的前景,也只好抱着走一步瞧一步的态度。

索恩后来回忆说,基金会在那一刻端起了上膛的枪,强逼着德瑞福和韦斯结合,而他自己则不幸夹在中间沦为这个没有爱情的婚姻的调解师。

1984年,加州理工学院和麻省理工学院签订备忘录,正式合并两校的引力波项目,由三驾马车共同领导。韦斯内心很有些失落,这本来是他和麻省理工学院的首创,但他那些短视的校领导迄今依然对引力波无动于衷,甚至巴不得尽快地甩掉这块烫手山芋。合并后的总部自然而然地设立在加州理工学院校,主要的实验工作继续围绕着已有的40米干涉仪模型进行,争取基金会为大型干涉仪谋得需要的资金。

这场包办婚姻只维持了不到三年。


(待续)


科普

Wednesday, March 21, 2018

捕捉引力波背后的故事(之七):随心所欲的德瑞福

贝尔成为剑桥大学的研究生之前是苏格兰的老牌学校格拉斯哥大学的学生。入学时,每个本科生都随机地安排有一位导师,贝尔便摊到了德瑞福。德瑞福自己那时也不过三十出头,刚刚博士毕业,留校当了教师。

很快,贝尔发现德瑞福的心思从来没有放在指导他们几个学生上,对他们的选课、考试等等提不起半点兴趣。他只爱唠叨一些自己脑子里正在琢磨着的、听起来云山雾罩的物理问题。贝尔深感失望。

德瑞福出生于格拉斯哥附近的一个小村。他父亲是乡村医生。母亲生他时遭遇难产,是父亲协助另一个医生用产钳硬把他拽进这个世界的。当地人相信这样出生的孩子大脑可能受到损害,会异常倔犟不听话。德瑞福果然印证从小就性格孤僻,很不合群地自以为是。但他也显示出与众不同的动手能力,最喜欢做的是帮父亲的病人修理收音机、钟表等小玩意。第二次世界大战期间来来往往的军队在当地留下了大量废旧电子元件,成了他收集的宝贝。他用这些“垃圾”组装了村里的第一台电视机,让乡民们有幸瞻仰1953年英国女王的加冕盛典。

穷困的出身赋予了德瑞福俭朴、抠门的习惯。即使是做了大学教授,他也总是在收集各种别人丢弃的小物品,想方设法让它们发挥出新的用途。他的孤僻也没有多少改进。大学毕业时他曾有机会去剑桥大学深造,但家人一致反对,担心以他的性格离家远将无法生存。于是他就留在了格拉斯哥大学。(贝尔大学毕业时希望去苏格兰天文台工作,却因为是女性被婉拒。德瑞福推荐她去了剑桥,然后我们就知道了脉冲星的存在。)

大学本科生贝尔那时无法听懂的是德瑞福正在筹划一个非常新颖的实验。

质量是一个非常基本的物理概念。牛顿力学的第二定律说物体受到外力时会加速,加速度大小与受力成正比,比例便由物体的质量决定。牛顿的万有引力则说两个物体之间有引力,引力大小与物体的质量成正比。这两个定律看起来简单,却隐含了一个蹊跷:质量是一个物体本身特有的属性(通俗来说就是物体自己有多少货),也许可以决定它产生的引力大小,那怎么同时又决定了自己受外力作用的反应呢?从牛顿开始,物理学家就猜想也许其实有两个不同的质量,分别叫做“惯性质量”和“引力质量”,我们只是看不到它们之间的区别而误以为那是同一个概念。

爱因斯坦的广义相对论引进了一个新的“等价原理”:一个加速中的物体与一个在相应引力场——或弯曲的空间——中的物体是无法区分的。这样的话,惯性质量和引力质量也必须完全等同,否则等价原理无法成立:通过测量两个质量的差异就可以判定物体是在加速还是处于引力场中。

如果说找出最两种质量的差异在经典物理中还只是一个有意思的结果,在广义相对论便成为对其基本原理上的本质挑战。

德瑞福知道那时物理测量精确度最高的有原子的核磁共振光谱,而这个光谱线与原子核的惯性质量息息相关。通过在不同环境下测量光谱可以发现原子核的惯性质量是否会因为环境有变化。而另一方面,原子核的引力质量是与环境无关的。如果发现这方面的差异就可以知道两者不是同一个概念。

他的设计别出心裁,就是要连续24小时测量锂原子的光谱。在这过程中,锂原子核随着地球自转“坐地日行八万里”,其所在的宇宙环境也发生了“天翻地覆”的变化:有时正对银河系中心恒星密集的方向,有时却面对恒星相对稀疏的夜空。这个环境质量分布的变化如果能够影响原子核惯性质量,便会在光谱线的精度范围内表现出来。

比他这个设计更为奇葩的还是他的实施手段。实验需要有磁场,他没有设备,就直接利用起天然、现成的地磁场。其余的一切也都是同样地因陋就简:他从学校里借来几个教学用的简单仪器,配上以前收集的废弃汽车电池、古旧的照相机、显微镜,就在他母亲的后院菜园里测量起来。

几乎同时,美国耶鲁大学的休斯(Vernon Hughes)教授带着他的团队,使用正规的设备也独立地进行了同样的实验。他们取得了一致的结果:测量不出惯性质量有什么变化,广义相对论没有问题。

区别只在于德瑞福单枪匹马在自家后院土法上马做出的结果比耶鲁的在精度上高出了两个数量级。这个实验后来被命名为“休斯—德瑞福实验”。

德瑞福因此在学术界小有了名气。哈佛大学的庞德(Robert Pound)教授邀请他去做了一年博士后。庞德是核磁共振技术的发明人之一,也是一个被诺贝尔奖“擦肩而过”的物理学家。德瑞福第一次离开家乡,飘洋过海开了一次眼界。

1970年德瑞福回到格拉斯哥时,已经被韦伯的壮举勾了魂。他在系里创立了一个实验室,与年轻助手休夫(James Hough)一起研究如何探测引力波。他非常希望能去观摩韦伯的实验。韦伯那时却已经因为同行们的质疑而烦躁,断然拒绝了德瑞福的请求。固执倔犟的德瑞福不甘心,自己飞过大西洋就直接去敲韦伯实验室的门。韦伯非常生气,依然拒绝了这个远方的不速之客。

吃了闭门羹后,德瑞福回到苏格兰与休夫一起自己研究、组装了一个韦伯棒。折腾了5年,最后下了结论:韦伯棒无法测到引力波,必须另辟蹊径。
1972年的德瑞福(右)和休夫在格拉斯哥大学实验室装配他们自制的韦伯棒。

他不记得是从哪条途径听说韦斯的干涉仪的,只记得想方设法只能找到韦斯在麻省理工学院内部发表的那篇论文的缩微胶片,放大印出后几乎无法辨认内容。他很快意识到干涉仪必需的激光器是他的最大难题。当时购买一个高质量的激光器需要花费一万英镑,远远超过他的负担能力,更不符合他勤俭持家的风格。于是,他花了近两年时间钻研如何改进激光。


韦斯的干涉仪遵循迈克尔逊和莫雷的经典设计,将一束激光分到两个方向,分别反射回来后再通过干涉条纹来测量激光所走过的距离之间的细微差别。这里的关键是非常细微的距离之差需要被放大。放大的倍数,亦即干涉仪的灵敏度,主要取决于距离的长短。也就是说,干涉仪做得越大,就越能探测到镜子微小的振动。

韦斯在麻省理工学院摆弄他那个小模型时,已经意识到如果让激光在光源和镜子之间的长臂上不只是走一个来回,而是在光源附近再加一个镜子让光束多次来回发射,可以有效地将臂长放大好多倍,大大提高灵敏度。但这样也会带来激光在这过程中互相干扰,造成频率不稳定和散射损失等问题。

德瑞福却找到了一个别出心裁的解决方法。

早在十九世纪末,法国两位物理学家法布里(Charles Fabry)和珀罗(Alfred Perot)发现,如果把两块表面镀银的玻璃置放在非常接近的距离,可以观察到清晰的干涉条纹。这是因为光线在两面玻璃之间的狭缝里多次发射后过滤选出特定频率的光。频率与狭缝宽度相合的光在狭缝中稳定增强。在没有激光的年代,这是一个广为使用的光线实验手段。

德瑞福异想天开,将这个原本是狭小缝隙中的技巧用在几十米的干涉仪长臂上,把光源和镜子设计成一个超长的“法布里—珀罗谐振腔”。只要调整好臂的长度,使其固定为激光波长的整数倍,就可以有效地避免散射损失。为了保持这个谐振腔里激光的稳定性,他还借用了庞德早先在微波实验中稳定波频的一个技巧,与霍尔(John Hall)合作设计出一个负反馈电路,能够长期保证这个大型谐振腔中激光的稳定性。(霍尔后来因另外的精密光学技术获得2005年诺贝尔奖。)

这个叫做“庞德—德瑞福—霍尔”的技术不仅是探测引力波的激光干涉仪中最关键的技术突破之一,而且在整个光学领域获得了广泛的应用。
德瑞福与他的光学仪器。

难怪,当索恩准备在加州理工学院开张引力波探测时,韦斯、布拉金斯基等人都毫无保留地推荐了德瑞福。


1978年,索恩正式向德瑞福发出了加盟加州理工学院的邀请,却没有收到热情的回应。尽管加州的阳光海滩相对多雨的苏格兰有相当的优势,除了在哈佛呆过的那一年还从没有离开过家乡的德瑞福对走向新大陆缺乏信心。也许是因为有过与韦伯的不愉快,他对美国人的合作态度有很深的疑虑和不信任。

德瑞福这时候在格拉斯哥正得心应手,在自己的实验室里可以随心所欲,享有说一不二的特权。他深信这是他能够快速取得科研进展的原因和必需的前提条件。但加州理工学院也有吸引他的地方,那就是他在苏格兰绝对不可能想象的科研资金。最好的可能当然是鱼与熊掌兼得。于是德瑞福开出条件:他到加州后也必须是那里的绝对负责人,一切由他说了算。

索恩自己性格随和,没有多大异议。他们达成了一个临时的协议。在“试用期”中,德瑞福同时担任两个学校的职位,定期在两个校园之间穿梭,各服务一半时间。看看双方是否能彼此适应。

德瑞福抵达加州理工学院后果然不含糊,立刻就做出他第一个重大决定。索恩本来还对韦伯棒满怀希望,计划按照他与布拉金斯基研究出的改进方式继续尝试。德瑞福却不屑一顾,他已经在韦伯棒上浪费了5年的宝贵光阴,到加州来就是因为这里有钱可以玩大型的干涉仪。索恩不得不让步,放弃了韦伯棒。

这时已经是1980年代之初,世界各地的几个物理实验室在引力波干涉仪上开始了一场小小的“军备竞赛”。修建长距离的干涉仪,需要大功率的激光光源,需要维护更大的真空体积(为了减少环境干扰和空气对激光束的散射,整个光源、镜子、测量仪器以及它们之间激光束经过的路径都要密封在抽成真空的容器中),这些都需要相当的投资。而且,实验室还需要有足够大的地盘。

德瑞福在格拉斯哥大学只能勉强建造一个臂长10米的干涉仪。德国的比令资金多一点,他们在慕尼黑的普朗克天文研究所中找到一个挺大的花园,就在那上面建起一个30米长的干涉仪。加州理工学院财大气粗,有着自己学校提供的三百万美元。他们在校园东北角发现有一间很大的简易库房正好在闲置中,那里面可以容纳一个臂长40米的干涉仪。

莫斯科的布拉金斯基只能袖手旁观。苏联的经济已经开始捉襟见肘,即使有举国体制,也已经无法支持他加入这场游戏。他依然坚信自己的改进版韦伯棒,希望能尽快在那上面有所突破。同时,他和索恩在两个超级大国之间保持着经常互访的紧密联系,科研上可以互通有无。

被排挤到观众席上的还有韦斯。1973年他第一次向美国国家科学基金会申请资助被拒。因为材料和设计被“泄露”给欧洲同行,他后来一直在找基金会申诉,要求补偿。基金会在逐渐取消对韦伯的资助后也开始关注干涉仪,出于同情象征性地给了韦斯一点资助,也就只够他继续维护他那个臂长只有1.5米的桌上型“玩具”。

不过韦斯的眼光已经投向更遥远的未来。经过这么些年的积累,他已经看出,即使这些臂长有几十米的实验也不过是研制、调试各种仪器的排练场。要想测量到引力波,必须建造臂长达到几千米的真正“大家伙”。

而建造几千米长的干涉仪已经不是大学实验室里各自为战的“小作坊”方式所能胜任。尽管韦斯自己对高能物理领域正如火如荼的粒子加速器“大科学”模式深恶痛绝,他也知道那将是探测引力波不得不要走上的唯一通道。他成功地说服基金会专门拨了一笔款,资助他对几千米长的干涉仪进行技术和预算上的先期可行性考察。

于此同时,终于落实了他所需要的实验领军人物的索恩却异常地乐观。1981年5月6日,他与普林斯顿大学天文物理学家奥斯特里克(Jeremiah Ostriker)打了一个赌:人类会在2000年1月1日——新世纪来临——之前探测到引力波。那时候他还没意识到他会在这种有时间限制的赌约上伤痕累累。


(待续)



Monday, March 5, 2018

捕捉引力波背后的故事(之六):“外星人”来电中的引力波

1960年代是一个属于年轻人的癫狂时代。英国的披头士(Beatles)乐队风靡半个地球,美国的嬉皮一代在反战、吸毒、摇滚乐中颓废,法国大学生走上街头,中国红卫兵掀开文化大革命的序幕。

在英国的剑桥大学,24岁的研究生贝尔(Jocelyn Bell)却把她的青春赋予埋电杆、拉电线。

麦克斯韦尔通过他的方程组揭示出光只是一定频率段的电磁波后,一直在仰“望”星空的天文学家意识到我们不仅可以用眼睛看星星,应该也能接收到来自外星球的其它频率的电磁波。不过,这些电磁波绝大部分被地球的大气层吸收,不能抵达地面。(对人类来说这不是遗憾而是幸运,否则我们会因为辐射而得各种疾病,有性命之忧。)在人造卫星之前,除了少量高空气球试验,地面上能接收的电磁波只是处于无线电波段的一部分。利用这部分电磁信号的研究叫做“射电天文学”。

1960年代初,天文学家用射电望远镜发现了“类星体”(quasar)——有很强无线电辐射的一种未知星体。贝尔的导师休伊什(Antony Hewish)希望做这方面的研究,却没有多少资金。他只好找学生在一片将近两万平方米的空地上竖起一千根电杆,拉上总长近二百公里的电线,成为自己山寨的射电望远镜。
24岁的贝尔和她用来测量宇宙射电的天线阵

包括贝尔在内的五六个学生花了两年时间才完成这个工程。1967年夏天,她整天把头埋在没完没了的记录纸中,察看纸上记录的那些晾衣绳一般的天线上接收到的电波,辨认着来自类星体的信号。几个星期后,她突然注意到一个不寻常:有一连串的电脉冲非常有规律地每隔1.33秒出现。她连续跟踪了几天,发现它总是在天线阵对着天空同一方位时出现。很快,她们确定了该信号来自太阳系之外,不是地球人的作为。这么规律、高频的信号在天文观测中还从来没有过先例,最可能的……莫非是有外星人在给地球发电报?
贝尔在记录纸上电波图中找到的第一个脉冲星信号系列

他们依据科幻艺术中惯常的形象把这个信号命名为“小绿人”(Little Green Men)。

贝尔很懊恼。她一门心思只在尽快收集到足够类星体的数据好完成博士论文,小绿人来捣这么个乱纯粹是节外生枝。休伊什召集了一些专家开会,商议如果证实发现外星人如何知会政府、告知公众。贝尔则回到她的小屋子,再度埋头于记录纸堆。功夫不负有心人,她在过去的纸卷中又找出了另外三组类似的脉冲系列,分别来自完全不同的太空方位。她长舒一口气:这不会是天外文明,因为彼此相距几亿光年的四拨小绿人不可能不约而同地采用同样的方式来找地球人联络。

通过对太阳和其它恒星的光谱观测,结合第二次世界大战前后发展的核物理知识,科学家这时已经知道恒星内部基本上全是氢。这些巨大的“氢气球”在自身引力的重压下内部形成极高温而发生持续的热核反应:氢聚变成氦并释放出光和热。核反应产生的能量抵挡了重力,形成动态平衡。所以恒星看起来非常稳定,夜复一夜地发光。但氢燃料总会有耗尽的一天。一旦热核反应终止,整个恒星便会在重力压迫下急剧塌缩。越大、也就越重的星塌缩得越剧烈。我们太阳一般大小的恒星会塌缩成“白矮星”、再大一些的塌缩成“中子星”、而更为巨大的恒星就会塌缩成“黑洞”。

贝尔发现的,就是中子星。

当星球塌缩的压力足够摧毁原子的结构时,电子会被挤进原子核与质子合并成为中子。于是整个星球变得完全由中子组成。作为燃料耗尽“死亡”了的星球,中子星基本上不再发光,无法用光学天文望远镜观察到。但有些中子星还会有很强的磁场,转动时会发射电磁波。与地球类似,中子星磁场的南北极不一定与其自转轴的南北极重合,会有一个偏角。当电磁波顺着磁极方向往外发射时,这个无线电波束随星体自转便在宇宙中转圈扫描,有如旋转灯塔里发出的探照灯光束。如果地球恰巧被这个波束扫中,就会接收到一个电脉冲。贝尔发现的第一组信号就是这样的一颗中子星,它每四秒钟就自转三圈,于是贝尔的纸带上每1.33秒出现一个脉冲记录。
脉冲星示意图。垂直的绿线是脉冲星自转轴,白色曲线是磁力线,蓝色的“光束”是脉冲信号发射方向。随着星体的自转,“光束”像探照灯般转圈扫描。

我们地球自转周期是24小时,基本上很稳定。这是因为宇宙空间没有摩擦力,自转不会自己变快变慢。只是地球的自转会受到月球、其它行星还有自身地震等因素影响,不是完全一成不变。中子星很孤独,它们的高速自转除了发射无线电波损失能量和自身偶尔的“地震”这些可忽略的影响外,完全没有干扰。因此它们的信号周期异常地稳定,精确度高于地球上当时最准确的钟表。

休伊什把它叫做“脉动中的星”,并生造了一个英文词“pulsar”(脉冲星)来命名。这个词很快被用作美国第一款电子表的牌子,以彰显该表的精度。直到今天,它还作为汽车、摩托车的品牌出现在大众视野。

排除外星人的干扰后,贝尔终于完成了她的博士论文。论文主题是类星体,脉冲星只在最后的附录中提到。但她的这个近乎偶然的发现却开创了天文学一个崭新的领域。1974年,休伊什荣获诺贝尔奖。评委们却没有考虑过贝尔是否也应该分享这份荣耀。


脉冲星发现的论文发表后,立刻引起了美国一位年轻人的注意。26岁的泰勒(Joseph Taylor)刚刚从哈佛获得博士学位,立刻决定改变研究方向,一头扎进寻找脉冲星的热潮中。

当时恰好美国领地波多黎各岛上的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜落成。这是一个超大型的射电望远镜,顺着山势建设,其抛物型天线口径达305米。它在建成后半个世纪中一直保持世界之最,直到2016年被中国贵州的500米口径望远镜(FAST)超越。暂时还未能被取代的是它的电影明星地位:1995年邦德(James Bond)谍战片《黄金眼》(GoldenEye)中,007与叛变的006便是在阿雷西博望远镜上决斗。

阿雷西博望远镜主要由美国康奈尔大学主持设计管理,初衷是研究地球高空电离层物理,但脉冲星的发现改变了她的使命。1970年代初,岛上聚集了一群康奈尔大学天文学研究生,发挥各种技能研究脉冲星。其中有泰勒的研究生赫尔斯(Russel Hulse)。

他们有这个强大的望远镜,可以探测到非常微弱的信号。他们更不再需要像贝尔那样肉眼寻找纸带上的蛛丝马迹,而是用计算机程序做自动分析。这样,赫尔斯平均每十天就能发现一颗新的脉冲星。原来整个宇宙都遍布着一直在给我们发电报的“小绿人”。而还有更多的中子星我们观测不到,因为它们或者没有强磁场或者他们发出的电波束没有扫描到地球。

最引起赫尔斯注意的是1974年夏天他发现的一颗星。这颗星自转极快,周期是0.059秒,也就是一秒钟内它就转了17圈!更奇的是它这个自转周期并不像其它脉冲星那么精确,过两星期后再测时发现有接近万分之一秒的改变。赫尔斯没有对这微小的偏差掉以轻心,而是持续跟踪测量,终于发现这个偏差本身也有自己的周期性:似乎那颗星的自转会慢慢地变慢,然后又慢慢地恢复,然后慢慢地变快,然后慢慢恢复……如此循环往复。怎么会出现这样的情形呢?

赫尔斯恍然大悟:不是这颗星的自转周期在变化,而是它自己在相对地球作周期性的运动。因为物理学中熟知的“多普勒效应”,相对运动中物体发出的信号频率会有变化。如果该星在朝向地球而来,它后来发出的信号走的路要比先前发的稍微短一些,这样测到的脉冲周期就显得在变短;反之,它离开地球远去时,我们测得的脉冲周期就越来越长。

那么,这颗星为什么会自己这么来回运动呢?其实,它是在绕着另一颗星公转。那颗星恰好我们在地球上观测不到。

赫尔斯发现了第一个双中子星系统。

虽然他们手上的数据极其有限:一颗星看不见,一无所知;一颗只能收到它自转的脉冲信号,但泰勒和赫尔斯凭借这点线索便能推算出很多名堂:从周期变慢和周期变快的时间差他们知道轨道不是圆形,而是很长很扁的椭圆。这个椭圆轨道自身也在“进动”。根据多普勒效应,从信号的微小变化又可以计算出轨道速度。从这些轨道参数又可以推算出中子星的质量,包括那颗看不见的中子星的质量。

经过这一系列的推演,他们发现这两颗星的质量差不多,都接近于一个半太阳。半径则只有10公里左右(可见其塌缩的程度)。它们之间的距离最远时有三百多万公里,最近时约75万公里(这个距离差不多是我们太阳的半径)。而它们公转的轨道速度异常快,达到光速的千分之一。如此的质量密度,如此相近的距离,如此之快的速度,它们是检验爱因斯坦相对论的天然实验室。泰勒和赫尔斯发现理论的预测与他们的测量结果符合的相当完美。赫尔斯以此工作顺利地获取了博士学位。

赫尔斯离开后,泰勒与新来的博士后韦斯伯格(Joel Weisberg)继续研究这个少见的双子星。他们再度脑洞大开:这不也是一个检验引力波的现成实验室吗?


1911年,英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)通过散射实验发现原子是由原子核和电子组成时,他提出了新的原子模型:电子在原子核的外围轨道上围绕原子核旋转,就像行星围绕太阳公转一样。这个图像后来被广泛引用于各种与原子或电有关的标志中。

可是这个模型有一个致命的缺陷:电子的运动会产生电磁波,造成能量损失。因此电子的速度会越来越慢,轨道越来越小,最终湮没于原子核中。因此这个模型不稳定,不可能实际存在。这个困难直到量子力学的建立,将经典的电子轨道改成量子的电子态才得以解决。

广义相对论中的引力波与电磁波类似。行星围绕恒星的运动也会因为发射引力波而失去能量,行星轨道也应该随之萎缩。好在我们生存的地球质量小、速度低,其轨道运动所发出的引力波微乎极微,无法察觉。(地球因为引力波的耗散而失去轨道稳定的过程至少需要1014亿年。我们不必为此操心,因为宇宙的年龄也不过100多亿年,而我们在地球上赖以生存的太阳本身的寿命也只还剩下50亿年。)

有意思的是,早在1930年代,当物理学家还在争论引力波是否存在、能否传递能量时,理想化的双星系统也是他们研究的焦点之一。因为广义相对论方程的复杂性,专家们计算出完全不同的结果:有人说双星会释放引力波耗能而发生轨道衰减;有人则完全相反,说它们其实会从外界吸收引力波能量,轨道反而会扩张。正如费曼所评论的那样,没有实验数据做参照时,理论家只能莫衷一是。

中国理论物理学家胡宁也是那场争论中的一员。1947年,胡宁在爱尔兰做博士后时研究了双星引力波问题。他最先在都柏林王家学院宣读论文时说引力波会导致轨道衰减,但在正式发表论文时又附加了一个更正,表示原来计算有错,符号反了——双星系统其实会吸收引力波而导致轨道扩大。直到1979年,已经是北京大学教授的胡宁在意大利的学术会议上再度发表论文,再度纠正三十多年前的结论。他解释说当初的错误在于选错了边界条件。

泰勒和韦斯伯格在1978年想到这个问题时,已经不再有理论上的争议。按照他们已知的中子星质量和轨道参数,广义相对论指出,因为引力波的能量损失,两个星星的平均距离会在一年内减小3.5米、公转周期减少76.5微秒(0.0000765秒)。虽然这些数值非常微小,却已经是可以用阿雷西博测量出来的了。果然,他们证实了广义相对论的推断。同时,物理学家终于可以确信无疑:引力波的确是存在的。

自那以后二十多年,韦斯伯格一直在跟踪测量这个双子星的轨道,可以持续看到轨道越来越明显的缩小,与广义相对论的预测惊人的一致。随着时间的推移,这两颗星将越来越快地加速接近,直到最后直接碰撞而合并。
双中子星因为引力波辐射的轨道衰减的测量结果(数据点)和广义相对论的理论预测(曲线)的比较。

1993年,泰勒和赫尔斯因为他们的发现获得了诺贝尔奖。韦斯伯格榜上无名。


爱因斯坦在1915年提出广义相对论时,就已经通过了光线弯曲和水星近日点进动两大检验。在那之后,这个理论相继在引力钟慢、引力红移、中子双星轨道等实验中完美地经受了考验。泰勒和韦斯伯格的测量,不仅是人类第一次间接地证明了引力波的存在,而且再次确立了广义相对论的不朽地位。

这一切,都起源于1967年夏天那个令贝尔颇为烦恼的小绿人给地球发来的电波。

与此同时,泰勒、赫尔斯、韦斯伯格和他们的同行们已经在我们的银河系中发现了两千多个脉冲星,其中几十个属于双星系统。在那之外还有众多我们无法观测到的中子星、双星。我们现在确定地知道这些双星的轨道运动会生成引力波,只是过于微弱,地球上现有的设备还无法直接测量出来。

但我们也更加知道,双星的轨道在衰减、在缩小。茫茫广宇中,应该有很多双中子星、甚至双黑洞正在急剧地加速接近,迟早会发生碰撞,或者已经发生了碰撞、合并。这会是异常剧烈的天文事件。它们会激发出引力波的“海啸”,奔向我们的地球,也许会携带着足够的能量可以为人类所测知。

只是,地球上期待着聆听这天籁之音的韦斯——和他的朋友索恩、布拉金斯基、德瑞福们——准备好了么?

(待续)


科普

Thursday, February 22, 2018

捕捉引力波背后的故事(之五):好赌的索恩与铁幕后的布拉金斯基

加州理工学院是麻省理工学院的对立面。她们地理距离相当遥远,在美国版图上对角相望。一个在东北的波士顿市郊,美国历史的发源地;一个在西南的洛杉矶海岸,阳光、新潮。麻省理工学院规规矩矩地以自己的英文字母缩写(MIT)做简称,加州理工学院则采用发音更响亮、意义更明确的“CalTech”。2006年,一群麻省理工的学生伪装进入加州理工学院校园,将其镇校之宝的一门大炮偷出,千里迢迢地运回自己的校园展览。那只是这两个学校学生互相促狭的恶作剧之一。

当麻省理工在第二次世界大战中埋头钻研雷达技术时,加州理工的主要精力集中在协助冯·卡门(Theodore von Karman)、钱学森等人在校内创建的“喷气推进实验室”研究火箭技术。战后,这里的物理系也有着不同于麻省理工的鲜明风格。小小的校园里集中了一些杰出的理论物理学家,包括费曼和后来发现“夸克”模型的盖尔曼(Murray Gell-Mann)。

年轻的理论物理学家索恩(Kip Thorne)也在这里如鱼得水。

索恩的祖先是虔诚的摩门(Mormon)教徒,很早随着教会迁徙到蛮荒的西部沙漠犹他州。比较与众不同的是,他父母两人都拥有博士学位:母亲是当时稀少的经济学女博士,父亲是土壤化学专家,后来成为犹他州立大学主管科研的副校长。

索恩八岁时母亲带他去参加了一次天文学讲座,从此爱上了这门科学。他和妈妈一起在市中心画了一个与自己差不多大的太阳,然后沿着人行道按实际大小、距离比例画出各个行星,到最后他们已经走到了郊外,而要画的冥王星不过小指甲一般大。这样一粒小小的石子在围绕着整个小城转圈,是他第一个天文尺度上栩栩如生的图像。从那时起,他热衷于读阿西莫夫(Isaac Asimov)、盖莫夫等人写的科普读物和科幻小说。高中时,他为参加著名的西屋科学人才竞赛撰写了一篇七页纸的《四维几何》论文,获得州内头等奖。他妈妈很怀疑评委中是否有人真的读懂了论文内容(他妈妈自己读懂了前两页,他爸爸也只读懂前四页)。
1958年,17岁的索恩因为获得犹他州西屋科学天才竞赛奖而上了当地的报纸。

1962年,索恩从加州理工学院大学毕业,到普林斯顿做研究生。他师从惠勒,只用了三年就获得了博士学位。经过两年的博士后,他跳过助理教授一级,直接成为加州理工学院的副教授,又三年后成为正教授。这时他正好30岁,是该校历史上最年轻的正教授之一。在1970年代的加州,他披着长发,留着满脸胡子,一只耳朵挂着耳环,穿着大喇叭裤,两脚踏着拖鞋。与其说是大学教授,不如说是一个十足的嬉皮青年。
1970年代的索恩在黑板上讲解引力场。

放荡不羁的索恩还酷爱打赌。他的办公室墙上贴着很多打赌的字据,对手从像霍金(Stephen Hawking)那样的著名科学家到自己的学生应有尽有。每个字据都严格地写出所赌的内容、赌注及胜负标准等等,双方均郑重地签名(残疾的霍金无法自己签名,也按下了拇指印),有些还有第三方证人。霍金输了一个1974年关于黑洞的赌后,“被迫”赔给索恩一年的《阁楼》色情杂志,曾一时成为大新闻。
索恩打赌的字据三例。左:1974年与霍金;中:1991年与霍金,下面绿字是索恩自己写的“霍金认输了!”;右:1960年代与自己的研究生伯克(Bill Burke)。

据索恩自己总结,他打的赌中如果没有设定时间期限,他都赢了;反之,他大都输了。这说明他对物理现象很有把握,但在对科技进步的速度预测上又总是过于乐观。而霍金打赌总是输。他自我辩解是采取“对冲”策略,赌的都是自己相信的反面。这样如果万一自己错了,至少还能赢得一个赌注。


与二十年前惠勒召集到教堂山的那一代理论物理学家不同的是,索恩成长在广义相对论研究的黄金时代。他们不再争论引力波能否存在,而是运用崭新的数学工具,结合新兴的计算机数值模拟技术,将理论研究推进到爱因斯坦可能也未曾想象的境地。1973年,索恩与师兄米斯纳(Charles Misner)和他们的导师惠勒一起合著了一本教科书《引力论》(Gravitation),洋洋1300页,集当时硕果之大成。在美国大凡接触过这个领域的物理、天文研究生人人都啃过这块大砖头。他们提起它来不用书名,而是直接用三位作者姓氏的缩写称之为“MTW”。
“MTW”三位作者米斯纳、惠勒、索恩(从左到右)与中文版的《引力论》合影。

尽管硕果累累,索恩却总觉得有些失落。也许是受到办公室邻居费曼的影响,他对这些没有实验证据支撑的纯数学式科研逐渐感到厌倦。韦伯掀起的旋风竟然把他这个理论家也卷了进去。这时他准备以自己的职业前途下一个大赌注,投身于引力波探测这一是非之地。(特蕾波尔对他的想法却有另类解读:她在加州理工学院读研究生时,与年轻的索恩副教授曾有过一段浪漫史。她觉得索恩这时候之所以要探测引力波,是为了报韦伯的“夺妻之恨”。)

索恩对实验却也不完全是一窍不通。作为自由派知识分子,他对冷战中处于铁幕之后的苏联怀有相当的兴趣。从1968年开始,他几乎每年去苏联访问,有时候一呆就是几个星期。在那里,他结识了比他大九岁的莫斯科大学实验物理学家布拉金斯基(Vladimir Braginsky),很快两人建立了亲如手足的友情。

布拉金斯基那时正忙于折腾韦伯棒,自然也未能重复韦伯的结果。与其他人不同的是,他没有浅尝辄止,而是更深入地探究原因。他发现韦伯棒的设计有个本质性的缺陷:虽然它体积庞大,在引力波共振的敏感度上却会受到量子力学中“测不准原理”的限制,无法像韦伯所宣称的那样探测到引力波。

索恩的出现正是时候。两人你教我实验上的种种技巧,我教你理论中的点点奥妙,乐在其中。他们一起找出了克服韦伯棒设计缺陷的可能途径。在那之后的几年里,布拉金斯基的莫斯科大学和索恩的加州理工学院开始了长期的密切合作,试图在改进的韦伯棒上取得突破。他们对这个方向怀有极大的信心,反而对韦斯的干涉仪设计不屑一顾。

布拉金斯基还告诉索恩他的两个好朋友早于韦斯十年前就提出了用激光干涉仪测量引力波的设想(那时激光才刚刚发明了两年)。只是他们的论文发表在苏联的刊物上,不为西方所知。那两位也都是理论物理学家,没有提出具体的实验设计,只是估计了干涉仪可能达到的敏感度会比韦伯棒高几个量级。

韦斯开始干涉仪的试验时不仅不知道那两位苏联人的论文,他也不知道其实韦伯也早他几年尝试过干涉仪。韦斯自己一直坚持用干涉仪测量引力波不是他自己的独到发明,而是当时很多人都曾有过的想法——毕竟迈克尔逊和莫雷的干涉仪实验是物理学历史上的经典,用它来测引力波引起的距离变化是很自然的。韦斯与那两位苏联人以及韦伯不同的是他提出了非常具体、踏实的设计,尤其是系统地研究了各种可能的环境噪音影响和对付方法。因此,韦斯那篇发表在麻省理工学院的内部报告依然被认作引力波干涉仪实验的开山之作。


MTW在1973年出版的那本《引力论》中有一章的篇幅专门讲述引力波探测的原理和方法,做了颇为详细的探讨。涉及干涉仪的却只有末尾一小段,不过是提醒读者章末有一道习题可以演示出干涉仪的敏感度会很差,不值一哂。
《引力论》教科书中涉及用激光干涉仪测量引力波的部分。

韦斯看到后很不以为然。1975年的夏天,他邀请索恩到首都华盛顿参加航天局主办的一次学术会议。索恩刚出机场便被韦斯“劫持”,直接开车到旅馆。两人关上门促膝长谈直至凌晨五点。那一夜,42岁的韦斯和35岁的索恩全面地审视了当时广义相对论领域的状态和发展前景,以及探测引力波的各种可能途径。最后,韦斯成功地扭转了索恩的偏见,接受了用干涉仪测量引力波的优越性。

被鼓起了干劲的索恩回家后便决定孤注一掷。与韦斯在麻省理工学院的遭遇正相反,加州理工学院自己有钱,也愿意投资于广义相对论研究。更巧的是,索恩在普林斯顿时的教授谷德伯格(Marvin Goldberger)这时候也来到加州理工学院出任校长。索恩近水楼台,游说赢得校方拨款三百万美元组建一个全新的实验室。中心任务是搭建一个相当大的干涉仪样机,实际地研究其可行性和所需的技术攻关。

有了资金做后盾,索恩最需要的是一个领军人物。布拉金斯基自然是他的第一人选。

布拉金斯基是苏联共产党员,却并不排斥西方的意识形态。他年轻时的理想是在苏联实现人性化的社会主义,结果很快就因为“犯错误”受到几次处分。有一次在欧洲的学术会议上,西方学者发言抨击苏联政府对以色列科学家拒发签证的政策,导致苏联科学家集体退席。索恩私下找到布拉金斯基,居然把他一个人拉回了会场。布拉金斯基那次回国后很久不再被允许出国。

索恩也注意到布拉金斯基出国访问从来没有带过自己的妻子同行。即便如此,他每次都不是一个人,总会有人陪伴。索恩怀疑随行的是负有监视任务的克格勃官员。同样的,美国的联邦调查局(FBI)也注意到他们的频繁来往。一次布拉金斯基访问加州理工学院时,联邦调查局人员来找索恩了解情况。爱促狭的索恩直接把来人带到布拉金斯基面前互相介绍,让他们自己“直接交流”。双方均大骇,甚是尴尬。其后索恩请求布拉金斯基在他访问莫斯科时如法炮制,好有个见识克格勃的经历。布拉金斯基却从来没敢如此造次。

布拉金斯基坦率地告诉索恩:“如果我应聘,我会被认定为叛逃者。我自动地就会与家人分离。他们会采取惩罚行动,以警告其他人不要学我的榜样。我可能不得不与家人分离十年、十五年。”索恩理解他朋友的处境。他也知道布拉金斯基责任感很强,不会轻易遗弃在莫斯科大学的团队自己跳槽到加州理工学院。

索恩也向韦斯索取了简历,收到后哑然失笑,回信调侃道:“你这里面肯定是缺了好几页吧?”韦斯对自己几乎从不发表论文的记录有自知之明,便向索恩推荐了苏格兰的德瑞福(Ronald Drever)。布拉金斯基也附议,他认为德瑞福与韦斯一样,都是完全可以独当一面的实验天才。


正当索恩在加州理工学院紧锣密鼓地开张他的人生豪赌时,从天文界意外地传来一个好消息:人类接到了天外来电,告知引力波确实是存在的。


(待续)


科普

Tuesday, February 6, 2018

捕捉引力波背后的故事(之四):聆听天籁之音的韦斯

当韦伯探测引力波的冲击波传到麻省理工学院(MIT)时,那里的物理教授们发现他们有点麻烦。

麻省理工学院在第二次世界大战期间专注于雷达技术,做出了卓越的贡献。他们因此持续地获得来自美国军方的大量科研资助。二战之后,物理以及与物理有关的系科急剧膨胀,欣欣向荣。这时候,他们突然意识到,系里却没有一个研究广义相对论的教授。他们只好矮子里拔将军,指派年轻的助理教授韦斯(Rainer Weiss)开一门广义相对论的研究生课程。

韦斯1932年出生于德国。父亲是一个家境富足、笃信共产主义的犹太医生,母亲是演员。两人邂逅的一夜情有了韦斯,然后才不得不奉子成婚。韦斯两岁时他们因为纳粹的迫害不得不出逃,辗转几年来到美国,于1939年定居纽约市。那里正聚集着大量和他们一样刚刚“下船”的欧洲移民,捎来了对古典交响乐的一往情深。还是孩子的韦斯从他们身上既攫取了他的人生擎爱,也看到了商机。那时调频广播刚开始时兴,小小的收音机无法发挥其魅力。韦斯成为第一代音响发烧友,收集电子元件自己设计、制作电路将调频信号高保真放大,用高功率大喇叭播放。

有一次,一家电影院着火,废墟中有20来个大型剧院用扬声器。韦斯把它们一个个扛回家,接上自己的电路,给朋友们播放纽约爱乐乐团的演出,效果惊人。

他没能发大财,但有了一个让更多的人更容易地听到高品质的美乐的志向。

他注意到播放虫胶唱片时总会有一点“嘶嘶”的杂音没法消除。为了解决这个难题和发展他的事业,韦斯上大学时选择了麻省理工学院。不料,大学里让他着迷的不再是电器中的音响,而是一个姑娘手指下流出的美妙钢琴声。他神魂颠倒地追随女孩去了芝加哥,可还是眼睁睁地看着她另攀了高枝。不过他也不是一无所获,从她那学会了弹钢琴。在那之后六十多年,每天晚上弹奏一小时钢琴成了韦斯一辈子的功课。

铩羽而归,他发现麻省理工学院已经将他除名。喜欢动手、捣腾的他便走向物理实验室,一间一间地打听他们是否需要帮手。扎卡瑞亚斯(Jerrold Zacharias)教授收留了他,让他打了两年小工,然后推荐他重新入学。这回韦斯老实了,不仅上完了大学,还接着一口气在扎卡瑞亚斯的指导下拿了个物理博士学位。

(韦斯后来自己当教授期间也收留过几个大学期间辍学的“坏小子”。其中两个,修梅克(David Shoemaker)和佩奇(Lyman Page),现在分别是麻省理工学院和普林斯顿大学的杰出科学家。修梅克后来还成为探测引力波国际协作项目的官方发言人。)

他的博士课题是刚萌芽的铯原子钟技术。用这种异常精确的钟来实际测量爱因斯坦预言的引力场中的“钟慢”效应那时很时髦。他对物理实验中的精密测量产生了浓厚的兴趣,也许这与他当初做高保真电路时的所需要的精益求精一脉相承。

毕业后,韦斯在普林斯顿大学跟狄克(Robert Dicke)教授做了两年博士后。狄克那时一边在寻找引力波,一边正准备做探测宇宙微波背景辐射的实验,不料却被贝尔实验室的那两位幸运儿抢了先。1964年韦斯回到麻省理工学院任职,有了自己的实验室。他也计划同时进行引力波和宇宙背景辐射方面研究。很快,韦伯“发现”了引力波,于是他就顺理成章地被抓了差,去开设广义相对论课程。


年轻的韦斯不敢坦白他其实从没接触过广义相对论,只好硬着头皮开了课,自己边学边教,现买现卖。他是擅长动手做实验的,对这理论里复杂的数学最为头疼,只好尽量地把它当作一堂实验课来讲,试图用各种模型、假想实验来直观地解释广义相对论,倒也别具风味。

1970年代的韦斯在麻省理工学院实验室里的工作照。他正在组装一个红外辐射探测器。

学生要求他讲讲韦伯的实验。韦斯不得不承认他自己对韦伯棒的机制也摸不着头脑。他在课堂上与学生一起探讨了爱因斯坦的原始论文,然后干脆布置了一个作业,设计一个与韦伯不同的测量引力波的方法。在这个过程中,他有了自己的想法。

韦伯在费曼的“粘珠”假想实验中看到的是那根棍子,把它作为“琴弦”寻找引力波引发的共振。韦斯则相反,他着眼于那颗珠子,要直接测量珠子因为引力波的运动。当然,这个运动——如果有的话——幅度会极其微小,又没有共振那样的放大机制,如何测量呢?韦伯知道,可以用光干涉的方式来放大细微的距离变化。

1887年,迈克尔逊(Albert Michelson)和莫雷(Edward Morley)设计了一个干涉仪,将一束光用半透镜分成两份,分别送往垂直的两个方向,然后用镜子反射回来重新汇聚。如果二者略有差异,光的波动性会导致聚合的光产生干涉条纹,这样可以测量两个方向上的差别。

在那个试验中,两个方向的光束走着完全相同的距离。他们想找的是两个方向上光速的区别。那时候的物理学家假设光是在一种叫做“以太”的媒体中传播。因为地球也在以太中运动,经典物理推论顺着地球运动方向与垂直方向上光的速度应该有差异。这样干涉仪中两个光束返回时的时间也会略有差异。这个微小差异可以从干涉条纹中测出。

迈克尔逊和莫雷没能找到任何差异。也就是说,光的速度没有受到地球运动的影响。这个结果否定了以太的存在,确认了麦克斯韦尔方程组中光速的绝对性。迈克尔逊因此赢得1907年诺贝尔物理奖,是第一个获得科学类诺贝尔奖的美国人。

韦斯认为,既然现在已经知道光速是恒定的,同样的这个实验就可以用来寻找不同方向上微小的距离差异。干涉仪两个方向终点处把光反射回来的镜子便是费曼的珠子,它们因为引力波的细微波动会导致两条光路距离的微小差异。这个差异可以同样地出现在干涉条纹中。

上他的课的几个研究生对这个课题非常感兴趣,他们不满足于在堂上讨论,而是与韦斯在晚上碰头,加班加点继续研究。他们搭建了一个臂长1.5米的干涉仪用以研究引力波到来时如何探测的模型。这个装置比当年迈克尔逊和莫雷用的的那个大不了多少,不同的是他们现在可以用激光作光源,先进得多。晚上干活也有好处:他们实验室就在地铁线边上。一旦有车经过,他们这个简陋的设备就被震荡得一塌糊涂。只能等到末班车开过、夜深人静后才能试验。

一晃两三年就过去了。韦斯和他那些换了好几茬的小伙伴们依然乐在其中,解决了一系列如何应对环境影响的难题。系里的其他教授们则都不知道他在搞什么名堂。一位老教授好心地提醒韦斯,如果还没有论文发表,他眼看着就不可能得到终身教授职位。韦斯这时候还没有能够正式发表的成果,只好把他这几年的心得、笔记整理一下,写成一篇材料发表在学校内部的季度报告上。


韦斯1972年发表的这篇内部报告分两部分,前一半是用高空气球测量新发现的宇宙微波背景辐射,后半部是引力波干涉仪的设计和研究。他当时把它叫做“引力天线”(Gravitational Antenna)。这是他的干涉仪设计第一次面世,但因为只是一个学校内部报告,很少人知晓。

韦斯1972年中麻省理工学院内部发表的引力波干涉仪设计草图。

费曼1957年在教堂山解释“粘珠论”用的示意图【见本系列之二】中的“棍子”呈十字交叉,每个方向上各有一个“珠子”。韦斯的干涉仪设计图则可以看作是费曼那个图左上角的四分之一部分,在左边和上方各有一个弧形的镜子反射激光。这两个镜子便是费曼的珠子。镜子和图中心的激光半透镜、测量仪器等之间构成两条“长臂”,相当于费曼的棍子。当然,韦斯的长臂只是激光的路径,不是实物。他的棍子其实是悬挂镜子的支架、天花板和固定在地面的光源、半透镜、测量仪器以及与它们相连的建筑、地球等等的整体。也就是说,当除了镜子以外的所有一切都固定连接在一起时,独悬其外的镜子因为引力波的颤动便是珠子与棍子之间的相对运动。两个镜子不同的颤动使得不同方向上的两条长臂的长度产生细微不同,这个差异便可以由被反射的激光束的干涉条纹放大测量出来。

韦伯的共振棒是一根琴弦,他期待的是引力波脉冲的那一下拨动。韦斯的干涉仪则是一套高保真组合音响,他期望通过这个“天线”接收、记录、播放引力波的全套旋律。韦斯已经意识到,他这个仪器最敏感的频率范围正好与他所沉醉的钢琴的音域一致。他之所以对探测引力波着迷,正是少年时作为音响发烧友的延续。只是这时他神往的不再是调频台中的交响乐,不再是姑娘指下的钢琴曲,而是那来自遥远时空、浩瀚广宇的音阶。所谓“此曲只应天上有,人间能得几回闻”。


然而,韦斯却不得不面对人世间的烦恼。

进入1960年代末,美国社会格局发生了巨大变化。二战之后长大的新一代走向社会,不再相信父母一辈的保守理念。美国在越南战场陷入的泥潭也促使社会对军队产生疑惑、警惕。1969年,美国国会在例行的军队拨款法案中附加了一个“曼斯菲尔德修正案”(Mansfield Amendment),明文禁止军队出钱资助与军事技术不直接相关的科研项目,以减少军队对大学、公司等民间机构的控制和影响。

麻省理工学院首当其冲,一下子失去了大量来自军队的资助。韦斯的引力干涉仪项目立刻陷入断粮的困境。他这个学校里仍然没有广义相对论专家,更没有人能理解他这个小玩意的价值。韦斯只能自谋出路。

1973年,韦斯向国家科学基金会(NSF)提交了一份详细的资助申请,希望他们能支持他继续引力波干涉仪的研究,但很快就被拒绝了。基金会那时还在全力资助韦伯的实验。

这还不是最令他伤心的。一年后韦斯接到德国同行比令(Heinz Billing)的电话,询问他这边干涉仪的进展。韦斯很纳闷比令怎么会知道有这么个干涉仪。比令很不好意思,坦白说他们收到过美国基金会寄来的韦斯申请书,邀请他们做同行评议。那时比令在慕尼黑仿照了一根韦伯棒,折腾几年一无所获,正在失落中看到了韦斯的设计很感兴趣。他顾不上科学界匿名评审的伦理要求,自己就动手开始了干涉仪的研究。比令还告诉韦斯,不仅在德国,他这个设计其实已经在欧洲流传开了。

还不只是欧洲。在美国加利福尼亚,韦伯培养的第一个博士伏华德(Robert Forward)也在休斯飞机公司的实验室里自己建造起一个干涉仪,还就近拉到当时还是研究生的特蕾波尔帮忙。(伏华德后来没有继续他的科研生涯,而是急流勇退,成为一个职业科幻小说作家。)

韦斯自己倒也没山穷水尽,他那个用高空气球探测宇宙微波背景辐射的实验取得了不俗的成绩,确保了他获得麻省理工学院终身教职。美国航空航天局(NASA)对这个课题发生了浓厚的兴趣,希望能把该实验扩展到卫星上,进行大气层以外的测量。1976年,韦斯被航天局聘为宇宙微波背景辐射探测委员会主席,主持这方面的科研。航天局财大气粗,他不再需要为科研经费发愁,只是不得不暂时搁置引力波,他那聆听天籁之音的梦想。
韦斯的麻省理工学院团队正在施放高空气球,测量宇宙微波背景辐射。

(待续)


科普

Tuesday, January 23, 2018

捕捉引力波背后的故事(之三):命运多舛的先行者韦伯

约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)一辈子都有一种阴错阳差的感觉。首先,他应该叫约拿·本·雅科夫·格伯(Yonah ben Yakov Gerber),一个典型的犹太人名字。他父母1909年离开俄国(今天的立陶宛)时,美国移民官顺手便把他们家族的姓“标准化”为英文的“韦伯”。他们说意第绪语(Yiddish),母亲给他登记时说话别人听不懂,于是他就有了这个发音相近的“约瑟夫”的名字。

子曰,名不正言不顺。韦伯5岁时被公交车撞伤,失去语言能力,几年没说话。等到他终于再开口时,他已经完全失去了意第绪语口音,操起一口语言理疗师教的标准美式英语。他家人干脆就叫他“杨基”(Yankee),似乎他已脱胎换骨,“融入了美国社会”,成为一个最普通不过的美国人“乔”(Joe)。

韦伯家境贫困,从小四处奔波打工,送报、球童、店伙计无所不为。但他自己更愿意跑的地方是当地图书馆,因为小小年纪的他已经看出这个社会上脑力劳动比体力劳动来得安逸。他最钟爱的是一本麦克斯韦尔写的物理教科书。中学毕业后他考入纽约市一所私立学院,但仅一年便因负担不起学费舍弃,转而考上免费的美国海军学院。在那里,他科学课程名列前茅,军事科目却总是拖后腿。有一次,他偷偷地在大餐厅里拉上电线,当官兵聚餐时突然播放出舒伯特(Franz Shubert)交响乐,赢得满堂彩。

1940年,韦伯从海军学院毕业,被派到航空母舰莱克星敦号上服役。一年后,太平洋战争爆发。莱克星敦号因为日本轰炸时不在珍珠港内侥幸躲过了浩劫,但几个月后在澳大利亚珊瑚海战中还是被击沉。韦伯当时的战斗岗位在甲板上,得以跳海逃生。他始终记得眼睁睁地看着莱克星敦号没入水面时,突然闪耀一片白炽光芒——这是他无法解释的一次光谱观察。

在那之后他改任驱逐舰船长,在加勒比、地中海等海域猎杀德国潜艇,护卫大西洋航道,直至登陆意大利。欧洲海战平息后,他到海军研究生院学习了两年,被任命为海军舰船部负责通讯、电子战技术的主设计师。
美国海军少校乔·韦伯

战后,韦伯以少校军衔退役,在1948年被聘为马里兰大学电机系教授,当时他29岁。学校要求他立即补修一个博士学位。于是他去找邻近乔治·华盛顿大学的物理教授盖莫夫(George Gamow),自我介绍是微波通讯行家,询问是否有合适的课题作博士论文。盖莫夫不假思索地说没有。

盖莫夫是宇宙学大拿。就在那两年之前他估算出宇宙大爆炸经过120多亿年的冷却、耗散,在今天应该残留着在微波频率上的微弱信号。他的学生那年还刚刚对这个辐射的温度做了新的估算。但盖莫夫是理论家,他可能从来没有去想过实际探测这个辐射,也可能没有把韦伯这个“工程师”看在眼里,轻易就拒绝了。

1964年,贝尔实验室的彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)在试图提高微波通信质量时发现有一个无时不有无处不在的噪音,他们想尽办法也没法消除。找人求助后才明白他们无意中发现了盖莫夫预测的宇宙微波背景辐射,因而获得1978年诺贝尔奖。(这个宇宙微波背景辐射在引力波故事后面还会出现。)

无奈,韦伯转而去美国天主教大学找了一个导师,做测量氨分子微波光谱的课题。这样他开始了退役后的平民生涯:白天在马里兰大学讲课、带学生,晚上去天主教大学修物理。夜校的课程基本就只有一个老师:惠勒当年的博士导师赫茨菲尔德(Karl Herzfeld)。

这时韦伯才接触到现代物理。当他读到爱因斯坦1905年(与狭义相对论同时)提出的光量子辐射理论时,立刻领悟到可以利用受激辐射的概念放大他需要测量的微波信号。1952年6月,他在加拿大国际会议上宣读了他的主见。当时也在做这方面研究的哥伦比亚大学教授汤斯(Charles Townes)听了报告立即向他索取了论文副本。一年后,汤斯制成了“受激辐射微波放大器(maser)”。紧接着,同样的机制应用到可见光频率,便发明了激光(laser)。汤斯和两位苏联人后来因发明激光获得1964年诺贝尔奖,韦伯榜上无名。(诺贝尔奖档案中记载他曾在1962、1963年两度获得提名。)

终于有了博士学位的韦伯颇有点灰心丧气,觉得物理学店大欺客,把他当外人轻视。他想避开那时的轰轰烈烈,找一个没有纷扰的小角落放自己一张平静的书桌。在那些被家里小儿子们吵得睡不着觉的夜晚,他自己钻研起广义相对论。1955年,他趁着有一年学术假的机会,找到了普林斯顿的惠勒。

宅心仁厚的惠勒不仅没有拒绝他,还把他带去了教堂山那次广义相对论会议。

× × × × ×

费曼的“粘珠”假想试验并不十分严谨。会上有人诘问,棍子和珠子在引力波中更可能是同步地振荡,没有相对运动。费曼为此又提出一个不同的场景:设想到来的引力波不是连续的波动,而只是一个短暂的脉冲,颠一下过去了就没了。珠子受影响动一下就会立即停下,仿佛什么事没发生过。而棍子不一样,因为它内部的弹性(来源于原子间电磁作用)动起来不能马上就停下来,会继续“回响”一定时间才消停。这样也就能观察到引力波脉冲过去之后棍子和珠子之间相对运动。

韦伯对这个新解读更为感兴趣。在他看来,既然棍子可以被引力波振荡起来,那就已经证明了引力波带有能量,并不需要用什么珠子来帮忙观测。他知道这个讨论之所以是“假想试验”,是因为引力波能量实在太小,当时的仪器灵敏度不够,不可能实际观察到。但他对费曼的物理图像中有着更进一步的领悟。

我们轻轻地拨动一根琴弦,可以听到一声响亮的乐音。这是一个被放大了的效果,因为琴弦(以及附属的共鸣箱)的弹性因为拨动发生了“共振”。如果频率适合,共振的放大效果可以非常惊人。在韦伯的眼里,费曼的棍子就是一根琴弦,等待着引力波脉冲的拨动。假如碰巧发生共振,微弱的引力波被无数倍放大,也许就可以实际测量到了。

那是引力波是否存在、能否携带能量还在争议中的年代。即使费曼的粘珠论说服了绝大多数人,大家除了接受引力波,对它还基本一无所知。引力波如何产生、能量多大、会有什么频率、有多少能经过地球等等,都只有一些极其粗略的猜测。只是韦伯军人出身,不习惯事先搞清楚各种可行性再动手。与其继续让费曼嘲笑他们空口说白话,不如自己先试试能不能找到点实验证据。

教堂山会议后,韦伯与惠勒合写了一篇论文,系统地阐述了“粘珠论”。然后,他就回马里兰去动手做实验了。

他带着几个博士后和研究生花了几年时间尝试不同的设计,最后选中了一个相对很简单的装置:既然费曼说了棍子,他就用金属铝制作了一个直径65厘米、长1.5米、近1.5吨重的实心大圆柱,被称为“韦伯棒”(Weber Bar)。这不像我们想象中的琴弦,但原理依然一样,而共振时会有更大的效应。与琴弦不同的是,韦伯没有附加共鸣箱,而是直接在圆柱上贴敷了一圈敏感的压电传感器。只要圆柱有轻微的变形,就会产生电信号,然后通过电路放大记录。整个大棒被悬挂起来,与周围环境隔离。
探测引力波的“韦伯棒”设计示意图和韦伯在上面装置压电传感器的工作照。

他们又做了一系列实验测定环境因素的影响和相应措施,确定能够从噪音中分辨引力波的信号。最后,他把一个韦伯棒安置在1000公里以外的芝加哥市郊,其电信号通过专用的长途电话线路实时传到马里兰大学的实验室。那里有另外5个大小略有不同的韦伯棒。只有这两个地方的信号同时测到变异时,才能被认定是真实的引力波信号。这样可以排除一个地方的随机影响造成的假信号。

很难说韦伯开始时抱有多大的信心,但他的结果是惊异的。1969年头三个月,韦伯便测到了至少17次同时事件,远远不是瞎猫碰到死老鼠的偶然。那年4月,他在学术会议上正式宣布探测到引力波,当场掌声雷动。这如同贝尔尼和教堂山两次会议重新点燃的广义相对论火种在学界还完全没有思想准备时引爆了一颗炸弹,全世界的物理学家都震惊了。
1969年6月16日的《物理评论快报》发表的韦伯报告《发现引力波的证据》论文。

韦伯这时候已经转到物理系任教。他很快成了大明星,被邀请到世界各地讲学,也频频在报纸杂志上露面。世界各地的大学、公司实验室纷纷各显其能地建造起他们自己的装置,于是有了各种不同大小、不同形状的韦伯棒。它们有的被放置在真空容器里,有的被冷冻到极低温度,想方设法进一步降低环境噪音的影响。
德国物理学家比令(Heinz Billing)和他在慕尼黑普朗克研究所建造的“韦伯棒”。

1972年,阿波罗17号飞船登月时也顺带在月球上安装了一个引力波探测装置。笨重的韦伯棒当然不方便上天,这是韦伯的又一个、更为大胆的设计:将整个月球当作韦伯棒,在月球表面“贴上传感器”测量其变形。当然,他在马里兰也有一个同样的设备,测量地球作为韦伯棒被引力波“拨动”的共振。他期望的是这些不同的测量手段能够同时出现信号,确定无疑地指认引力波。

只是,韦伯所期待的回声一直没能出现。尽管他自己的仪器还在频频报告新的引力波信号,世界各地其他探测者却始终一无所获。于是人们不得不开始怀疑韦伯的数据。理论学家也没闲着。他们做了大致估计,如果银河系真的像他测出的频率和强度释放引力波的话,其能量的丧失会导致整个星系不稳定,这与其它观测数据相违。

于是,韦伯逐渐陷入困境。他一边极力改进自己的设备和数据处理,一边不得不回应越来越尖锐的质疑。刚开始,不同地点的同时信号只是用肉眼在画出的曲线上辨认的,有人建议后才改用计算机程序。不久有人发现他的程序有错,会报告虚假信号。后来韦伯就不再允许外人检查他的原始数据和处理过程了。

但他终于找到了一个可靠的证据。在普林斯顿,韦伯向惠勒、戴森等著名物理学家报告,新的数据表明引力波不仅常见,而且很有规律:每隔24小时有一次高峰。这肯定不是随机的噪音。而且,高峰出现时他的仪器正好处于面对银河系中心的方位,显然那里大星体密集、产生引力波的源泉多。因为地球自转,这个方位每24小时经历一次。

出乎预料的是,这次他没能赢得掌声。相反,一屋子的人全都坐不住了:引力波是空间本身的波动,没有什么东西可以阻挡,包括地球。如果他的仪器“面对”银河系中心时能测到,那么它“背对”那里时也应该能测到穿透地球到来的引力波。

在一流专家面前出现如此的低级错误大概是所有科学家最惧怕的恶梦了。韦伯却没有气馁。他在几星期后发表了改进数据分析之后的结果:他测得的引力波的周期果然成了12小时,不是他原先说的24小时。

韦伯还同意与贝尔实验室和罗切斯特大学的两个研究组连线分享数据。很快,他就找出了自己与他们那边同时测到引力波的证据。结果这次捅下了更大的娄子:不仅他声称的信号在对方看来只是噪音(还有他们故意植入的假信号),他还忘了他自己的数据用的是美国东部时间而对方用的是国际标准时,他的所谓同时其实相差了整整四个小时!

韦伯变得孤僻、焦躁。在一次学术会议上,一位科学家站出来指责韦伯拒绝公开发表这个对他极为不利的乌龙,属于学术腐败。韦伯被激怒,双方在堂上面红耳赤,高声叫骂,差点动起手来。主持人不得不横起自己的拐杖将两人隔开。

到1975年,连一直最支持他的戴森也写信劝他“认输”了。国家科学基金会把他的资助降到一年5万美元,他不得不遣散所有学生、助手。1987年,基金会又完全切断了钱源。马里兰大学也几乎将他开除,好歹才容许他保留了一个退休教授的虚衔。韦伯没有放弃,依然用自己的积蓄维护着他的设备。只是喧嚣一时的引力波风云基本上荡然无存,物理学界普遍认为再继续检验他的方法、数据只会是浪费时间。

韦伯在那些年间的一次访谈中表示他无法理解同行们的嫉妒和残忍。他提起以前因类似处境而自杀的著名物理学家玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann),但表示自己心理坚强没有自杀倾向,只是心灰意冷。

韦伯却也没有被完全击垮。1980年,他在加州理工学院与费曼同桌午餐时,费曼对他唠叨自己那实验很不耐烦,问道,唉,你怎么还不放弃那引力波,要不去找找中微子试试?探测中微子正是当时物理学的一大难题。韦伯没有反感,反而当真了。1980年代,他发表了一系列论文,理论与试验并重,提出一个新颖的探测中微子手段,成为那个领域的开山鼻祖之一,却也同时引发了一场新争议。

× × × × ×

当年莱克星敦号被击沉时,韦伯得到政府一小笔赔偿费。他用那钱买戒指迎娶了中学时的小甜心(后来也是当时少有的女性物理学士)。1971年,韦伯在哥本哈根参加广义相对论会议(“GR6”)时,夫人不幸去世。一年后,52岁的他结识了才28岁的出名才女、天文学新秀特蕾波尔(Virginia Trimble),两人相处11天后闪婚。特蕾波尔那时正处感情低潮,发誓就要嫁给下一个遇到的男人,无论他是谁。

老年后的韦伯经常感叹,结婚时他特出名,没人知道特蕾波尔;后来人人知道特蕾波尔,却没人再记得他了。

2000年冬,81岁的韦伯依旧独自去他的实验室照看,在门外结冰的路面上滑倒,多处骨折。因为地方偏僻,他在冰天雪地困了两天才被人发现。手术治好了骨折,但并发的淋巴瘤一直未能痊愈,于9月30日晚去世。

他曾经可能成为看到宇宙大爆炸的第一人,他是提出激光概念的第一人,他始终坚信自己是找到引力波的第一人。然终其一生,韦伯与幸运女神总是擦肩而过,人们记住他的却只有他的失败。

惠勒记得的却是韦伯的勇气,因为当年敢于动手寻找引力波的只有他一个。惠勒觉得韦伯是个探险家,是与哥伦布(Christopher Columbus)、达伽马(Vasco da Gama)类似的人物,他开创了引力波实验的先河。

特蕾波尔晚年专注天文学历史,但小心翼翼地避免卷入对韦伯的评判。她内心觉得他还是测到了某种真实信号的,只是无法证实是否引力波。韦伯去世后,她卖掉他们的房子,把钱捐给美国天文学会创立了“韦伯天文仪器奖”,每年嘉奖一个在天文仪器上做出显著贡献的人。

2015年9月14日,人类第一次“真正”探测到引力波。按照传统犹太历法,那天正是韦伯逝世15周年。几个月后的新闻发布会上,73岁的特蕾波尔应邀坐在最前排,在一片欢呼喜悦中为亡夫流下了两行热泪。


(待续)


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Thursday, January 11, 2018

捕捉引力波背后的故事(之二):费曼的机灵和罗森的固执

与艺术世界相似,物理有“经典”和“现代”之分。艺术上的这个过渡体现了人们审美观的与时俱进。而诞生于二十世纪初的现代物理却是革命性的,带来了人类世界观的突变。

在经典物理的几个世纪里,物理学家对光是什么一直在纠结中。牛顿所主张的“微粒说”(光是粒子)遭到惠更斯(Christiaan Huygens)的“波动说”(光是波)的强烈挑战。随着对光干涉、衍射现象的观察,后者占了上风。及至麦克斯韦尔发现光就是电磁波,更似乎是下了定论。

也正是麦克斯韦尔方程组里蕴含的光速不变这个绝对性催生了狭义相对论。几乎同时,对“黑体”、原子的电磁辐射能谱以及光电效应的研究导致了量子理论的诞生。这时,光不再是单纯的波,而是再次以粒子出现——光子。

狭义相对论和量子力学这两大突破便是现代物理的起源。

光(或电磁波)这个既是粒子又是波的特性(所谓“波粒二象性”)直到1940年代末才有了严格的数学表述。那时,两大革命胜利会师,实现了麦克斯韦尔方程组的量子化。由此产生的“量子电动力学”完美地融合量子力学与狭义相对论,完成电磁相互作用的现代物理描述。

有趣的是,与爱因斯坦探索引力波时遭遇奇点相似,量子电动力学的发展过程中最大的困难是该理论计算出来的许多物理量都是无穷大,在现实中不可能。经过诸多物理学家的努力,日本人朝永振一郎(Shinichiro Tomonaga)和美国人施温格(Julian Schwinger)分别归纳出一种叫做“重整化”(renormalization)的手段解决了这个“发散”问题。不过他们动用的数学错综复杂,很难理解。更糟糕的是,一个简单的物理过程往往需要花好几天、几星期的时间推导演算,晕头胀脑还不敢确定结果是否正确。

1948年,30岁的费曼(Richard Feynman)在一次学术会议上演示了一种别出心裁的方法。他像小孩子画人型一样把物理过程用几根简单的线条画出来,然后说每条线、每个点都对应于一个函数,看图说话般地就写出了描述这个物理过程的方程式,用十几分钟的时间轻松完成了别人几个星期的工作量。

费曼这种魔术般技巧令其他物理学家既惊艳又困惑。直到后来戴森(Freeman Dyson)证明了它与朝永振一郎和施温格繁复的方程式在数学上其实完全等价之后才如释重负。这个“费曼图”不仅简单方便,而且在物理图像上直观明了,很快成为量子电动力学的正式语言。费曼因此一举成名,开始了他在物理学界独特的传奇生涯。(朝永振一郎、施温格、费曼三人因为这项贡献获得1965年诺贝尔奖。)
美国邮政局2005年发行的一枚纪念邮票,上面是费曼的头像和他的费曼图。

× × × × ×

那是物理学的黄金时代。第二次世界大战刚刚结束,物理学家才从原子弹爆炸的蘑菇云下回到平静的书桌旁。因为雷达和原子弹在二战武器中的决定性作用,物理学一夜间炙手可热,物理学家也成为普通民众心目中的英雄人物。

短短几年里,物理学有了相当大的进展。除了量子电动力学,晶体管的发明、“基本粒子”的不断被发现都在时刻刺激着新的突破。但在这一片大好形势中,广义相对论,尤其是引力波,却似乎是被忽视了。

同样被物理学界忽略的还有爱因斯坦。老年的他对物理学的这些现代成就几乎充耳不闻,在普林斯顿孤单地试图将电磁力和引力结合起来,找出他称之为“统一场论”的比广义相对论场方程更广义的方程式。直到1955年4月18日去世。

1955年也正是狭义相对论问世50周年、广义相对论问世40周年的年份。物理学家已经在筹备一场纪念会议,在爱因斯坦曾经为专利局打工的瑞士伯尔尼市举行。爱因斯坦也已计划出席,他的不幸去世赋予了会议更及时的象征意义。著名物理学家泡利(Wolfgang Pauli)在那年7月召开的会议开幕致辞中指出:“(我们现在)这个重要的历史时刻是相对论理论以及整个物理学历史的转折点。”至少从广义相对论的角度,他的话并非虚言。

自然,引力波是会议上的一大议题。比较讽刺的是,对引力波持最强烈否定态度的正是爱因斯坦的前助手、柱面引力波的冠名人之一罗森。

当年离开普林斯顿去了苏联(现乌克兰首都基辅市)的罗森很快自己也发现了那篇论文中的数学错误。他给爱因斯坦写了一封信,但未能送达。后来罗森收到朋友寄来的一份剪报,才从新闻中知道论文被“降级”发表在一个小刊物上。又过了好久他才得以读到那期《富兰克林研究所所刊》,当即由惊诧转为极度的不快。虽然他走之前曾同意由爱因斯坦全权处理论文,却绝没有想到爱因斯坦不仅换了期刊还把整个论文的结论都颠倒了发表。他给爱因斯坦写信抱怨,说发表的版本虽然避免了当初的小错误,却付出了回避实质问题的代价。

在罗森看来,实质的问题依然是引力波不能存在。于是,他也自作主张地把他们论文的原稿略作修改但保留原来的结论,发表在苏联一份学术刊物上。(爱因斯坦和罗森这篇历史性论文的原底稿已经失传,罗森发表的这个版本应该是最接近原样的。)

罗森在基辅只呆了两年便匆匆返回美国。这时他已经在以色列定居,是以色列物理学会和科学院的创始人之一。在伯尔尼的这个会上,罗森发表了他的最新成果:他推导出他们名下的柱面引力波所能携带的能量是零,因此没有实际意义。


两年后,美国的物理学家也组织了他们自己的广义相对论会议,在北卡罗来纳州大学所在的教堂山召开。这次会议有美国空军的科研经费资助。在二战的余威下,空军抱有幻想,有朝一日这些神奇的物理学家会发明出抗重力的神器来。

普林斯顿大学教授惠勒(John Wheeler)是主要组织者。他顺带着把自己过去的学生——无论他们是否涉足过广义相对论——全都邀请来共襄盛举,包括他最得意的、第一个博士学生费曼。

费曼这时毛羽已丰,颇为恃才傲物,尤其是看不上广义相对论这一摊。为了显示清高,他特意用了一个假名,在会议上注册为“斯密斯先生”,以至于有些与会者不知道他的真实身份。

费曼到会晚了一天,错过了第一天关于引力波的讨论。在看到众多专家围绕着复杂的数学方程争论得不亦乐乎时,忍不住插足发表了一番高论。

他首先觉得当时的广义相对论研究很空洞,没有实验的支持。他用不久前解决的量子电动力学问题举例:他们知道他们遇到的发散问题只是数学上的困难,因为已经有各种实验测量告诉他们最后的物理结果不是无穷大。但在广义相对论领域却不存在这个好处,不容易把握方向。

费曼没有提到爱因斯坦和罗森那篇论文所经历的反复。因为他并不了解——那时候还只有罗伯森和《物理评论》编辑知道其中过节。但他的确一针见血:正是因为没有实验结果做参照,爱因斯坦和罗森才会在遭遇奇点时轻率地得出、接受引力波不存在的结论。

所以费曼怀疑他们在讨论的会不会只是数学游戏。他提出如果一味追求理论的严格、数学的准确,反而会失去对物理图像的把握——所谓只见树木、不见森林。

至于引力波是否能携带能量的争论,他更是完全舍弃数学推导,提出了一个简单的假想实验:

既然引力波是空间本身的波动,它到来时空间中所有物体都会随之振荡起来。设想有一根长棍子,上面有一个或几个非常小的珠子,可以沿着棍子滑动。引力波到来时,棍子和珠子的反应会有所区别:棍子每个部分都要随着引力波振动,但因为它是完整的一体,各部分之间受原子间的电磁力束缚,振荡幅度会非常小。而珠子是个体,它的振荡幅度就会比棍子的大。这样,我们可以观察到珠子与棍子之间的相对运动。如果珠子与棍子之间有些许摩擦,我们还可以探测到摩擦生的热。

能量是守恒的。在这个假想实验中,摩擦能够生热,其能量只能来自引力波。因此,引力波必然是携带着能量的。

不料,费曼这一番天真的外行话倒还真让一众引力学家脑洞大开,几乎立刻就接受了引力波的现实。这个假想实验被称之为“粘珠论”(sticky bead argument),后来被用于证明引力波的正式论文中。
费曼1957年在教堂山广义相对论会议上解释“粘珠论”所用的示意图。

当然不是所有人都可以这样被说服。罗森没有参加美国的这个会议,也一直没有接受引力波,尽管他的论文得到其他专家反驳。迟至1979年,他还发表了一篇论文,把费曼博士论文中与惠勒合作研究电磁波的一种方法运用到引力波上,再一次“证明”了引力波无法存在。与40多年前如出一辙,他论文的题目是《引力辐射存在吗?》(Does Gravitational Radiation Exist?)。只是那时已经没有人再注意到他的工作了。

× × × × ×

这两次会议最成功之处是重新点燃了广义相对论的香火。这个国际会议作为传统保持了下来,每两三年举行一次。以广义相对论的英文缩写编号,1955年的伯尔尼会议代号是“GR0”,1957年教堂山则是“GR1”,以此薪火相传。下一次会议——“GR22”——将于2019年在西班牙举行。

费曼后来也还参加过这个会议,但总是牢骚满腹。他曾在欧洲开会时给家里老婆写信抱怨这个领域如何地无聊,请求她禁止他以后再参与这个会。他也没有对引力波表现出多大兴趣,而是坚持引力必须像电磁力那样量子化之后才能有意义。他做了一些尝试,但也没能找到实现引力量子化的途径。(广义相对论与量子力学的融合至今仍是一大难题。)

当时在教堂山会议上听费曼讲“粘珠”的还有一个没人注意的退伍军人。可能整个屋子里只有他一个人觉得费曼的主意并不纯粹是在“假想”,而是有可能实现的。因为与其他那些纸上谈兵的理论家们不同,他是能动手做实验的。


(待续)


科普

Monday, January 1, 2018

捕捉引力波背后的故事(之一):爱因斯坦的先知、失误和荒唐

当牛顿(Issac Newton)坐在树下被掉下来的苹果砸了脑袋时,他突然领悟到苹果之所以掉下来,是因为地球对苹果有吸引力,这个“重力”促使苹果加速落下地面。

这只是一个美丽的传说。但牛顿的确发现了“万有引力”,即任何两个物体之间都存在吸引力。将引力与牛顿同时发明的动力学三定律结合,不仅可以解释地球上重物的下落,还能准确描述月球绕地球、行星绕太阳的公转,甚至预测、发现过去不知道的海王星、冥王星。这是十七世纪物理学的顶峰。

万有引力定律很简单:两个物体之间的引力大小与它们的质量成正比,与它们之间的距离平方成反比。牛顿没有想到去探究一下,如果两个物体相距非常远,它们如何知道彼此的质量和距离?如果一个物体的质量变了或者挪近了一点,另一个物体怎么就会知道自己的受到的引力应该不一样了?对于牛顿来说,这都是不言而喻、理所当然的。

直到二十世纪初,爱因斯坦(Albert Einstein)觉得这很不可思议。传说他在阿尔卑斯山中开会,与一些大物理学家登山时,曾对居里夫人(Marie Curie)抱怨:你看我们从山下走到山上,地球的质量分布有了变化。如果月球上、火星上有智慧生物的话,他们通过测量地球引力的变化,马上就能知道有人上了山。这个信息的传播超过了光速,违反了相对论。

相对论是爱因斯坦在1905年建立的。当时他25岁,在瑞士专利局里打着一份小工。相对论惊世骇俗,指出日常生活中习以为常的空间、时间是“相对”的,因人的所在而异:一个人看到一辆高速开过的火车中的距离会缩短(“尺缩”)、时间会变慢(“钟慢”)。而更有意思的是这个现象是反之亦然的:火车里的人也会觉得站台上的尺子缩短了,钟变慢了。他们都没有错,只是时间间隔和空间距离在不同的参照系中不具有一致性,是相对的。唯一例外的是光传播的速度:光速在所有的参考系中都是一样的、绝对的。而且,其它任何有实际意义的速度都不能超过光速。因此,牛顿那不需要时间传播的引力违反了相对论。

为了解决这个问题,爱因斯坦又花了整十年的时间,在1915年发表了“广义相对论”。这时,空间和时间不仅仅是相对的,而且不平坦、会弯曲。苹果之所以掉下来,月球之所以绕地球转,是因为地球附近的时空因为地球的质量而弯曲了。

爱因斯坦用这新理论推算了水星公转轨道近日点的进动,成功地解决了观测结果与牛顿力学不符合的难题。1919年,英国天文学家爱丁顿(Arthur Eddington)通过对日全食时恒星位置的测量证实了光线的确会因(太阳)质量而弯曲,符合广义相对论的预测。这个结果轰动一时。尽管时空弯曲匪夷所思,也逐渐开始被科学界接受。爱因斯坦本人则一下子成为超越科学界的社会大明星。

荷兰布尔哈夫科学博物馆(Museum Boerhaave)东墙上纪念广义相对论的图像。上面是恒星光线因为太阳质量而弯曲的示意图,下面是广义相对论场方程。

然而,当爱因斯坦和居里夫人从山下走到山上时,这个变化的信息是如何通过弯曲时空传递的,却依然不明朗。

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经典物理学在十九世纪的一个伟大成就是麦克斯韦尔(James Clerk Maxwell)在1865年以一组方程式统一了电和磁两种作用力,同时改变了人类的世界观:看不见摸不着的电磁场是一种物质存在;电磁场随时间的变化形成电磁波,可以在空间传播、传输信息和能量。我们日常熟悉的光,就是电磁波。所有的电磁波在真空中具备同样的速度,也就是光速。

“教皇的天文学家”、梵蒂冈天文台长 Guy Consolmagno 在一次活动中穿着一件科学衫,上面模仿圣经口吻写着:“上帝说,(麦克斯韦尔方程组),于是就有了光。”

牛顿的万有引力定律和描述两个电荷之间作用力的库仑(Charles-Augustin de Coulomb)定律在数学形式上完全一致:力都是与距离平方成反比,与物理性质(分别为质量和电荷)成正比。因此,当麦克斯韦尔揭示出电荷之间的作用是以电磁场、电磁波的形式传播时,人们自然而然地会联想,万有引力是不是也会以一种类似的引力场、引力波传播?即使在相对论问世之前,包括著名科学家庞加莱(Henri Poincare)在内很多人都做过这方面的推断和研究。

在广义相对论中,引力场便是质量附近弯曲的时空。那么,质量的变化或运动势必引起弯曲程度的变化,于是这随时间而起伏的弯曲便如同水面上荡漾的涟漪,不就是引力波吗?

只是直觉的图像不能代替严谨的逻辑。自从确立了广义相对论的场方程之后,爱因斯坦和他的同行们便孜孜不倦地从中寻找、推导出引力波的数学形式。却遇到未曾意料的困难。

广义相对论的场方程由十个非线性方程组成,几乎无法求解。只有德国物理学家施瓦西(Karl Schwarzschild)在最简单的条件下找出一个精确解来(后来才知道他的解对应于黑洞,但当时还没有那个概念)。除此之外,只能用逼近修正的办法寻求近似结果,而如何找到合适的近似方式十分地让人头疼。

1916年初,爱因斯坦给施瓦西写信时颇为悲观地叹道,“在引力场中可能并不存在与光波对应的引力波。”他解释说可能的原因是电荷有正负之分,因此电磁力有时异性相吸、有时同性相斥。而自然界不存在负质量的物质,只有引力,没有斥力。(正负电荷组成的偶极子的振荡是产生电磁波最基本的方式,而引力场中不存在偶极子。)

不过也就在那年六月,爱因斯坦在柏林的普鲁士科学院做报告时,宣布他已经通过一种近似方法找出了引力波的形式。与电磁波一样,引力波以光速传播。他说他一共得到三种引力波模式,其中两种不传输能量,可能没有意义。但第三种应该是实在的引力波。

可惜好景不长。一年后芬兰的一位物理学家诺德斯特龙(Gunnar Nordstrom)指出爱因斯坦的推导中有严重错误,结论并不成立。爱因斯坦知错必改,在1918年1月发表一篇题为《论引力波》(On Grativiational Waves)的论文作修正。

1922年,相对论最卖力的“宣传部长”和捍卫者爱丁顿也对这问题感兴趣,自己钻研后发现爱因斯坦引力波的前两种模式的速度其实是无穷大,不由大乐。他嘲讽说引力波不是以光速,而是在“以人类的想象力(之速度)”传播。一时思想混乱。

研究广义相对论动用的数学十分复杂,所需要的许多概念、工具当时都还还没有发展出来。包括爱因斯坦在内,大家都在盲人摸象般地探索。而与此同时,引力波依然虚幻飘渺。

× × × × ×

十几年后,爱因斯坦为了躲避纳粹政权的迫害,已经离开了德国。他定居于美国的新泽西州,在新成立的普林斯顿高等研究院继续学术研究。1936年,他与年轻助手罗森(Nathan Rosen)再次审度广义相对论场方程,结果出乎意料:他们居然从数学上证明了引力波根本无法存在——因为那会导致物理上不能成立的奇点。

他们立即写就一篇论文,送交美国权威的《物理评论》(Physical Review)杂志发表。标题就石破天惊地设问《引力波存在吗?》(Do Gravitational Waves Exist?),而结论是否定的。爱因斯坦同时还写信给他的朋友、也已经逃离德国在英国定居的物理学家玻恩(Max Born)通报这一“有趣的结果”。他说“虽然引力波被假设在第一近似条件下肯定存在,但其实不对。相对论的非线性场方程比我们现在所相信的要更复杂。”

不到两个月,《物理评论》给爱因斯坦寄来了一份匿名的审稿意见,有十页之长,指出了论文的一些错误,并说审稿者怀疑其中的推导和结论靠不住。编辑希望能看到爱因斯坦对这些意见的回应。

正在湖边别墅度假的爱因斯坦看到这封信顿时火冒三丈。他大概压根就没有去看看审稿意见究竟有什么内容,就龙飞凤舞地直接用德文给杂志社写了一封简短回信:

亲爱的先生,
我们(罗森和我)给你们寄去论文是为了发表,并没有授权给你们在付印之前把稿件给专家看。我看不出有任何理由来回应你们那匿名专家的意见——反正那意见也是错的。因为出了这样的事,我准备把稿件改送其它地方发表。 
尊敬地,【签名】 
附笔:已经去了苏联的罗森先生授权我在这件事上代表他。
爱因斯坦给《物理评论》的亲笔回信

科学论文发表之前需要通过匿名的同行评议这个制度今天非常普遍,但在当时还是新鲜事物。爱因斯坦在德国发表了大量论文的《物理年鉴》(Annalen der Physik)那时没有这个制度。到美国后,他虽然已经在《物理评论》上发表过论文,但还从没有收到过反对意见。如此破天荒遭遇让他感到羞辱,便以为是杂志破了规矩。(其实,爱因斯坦离开德国前担任普鲁士科学院院长,曾经常为院刊审稿。当他看到他认为毫无价值的投稿时,也从来没有客气过。)他说到做到,转身就把论文原封不动地寄往费城的一家小刊物《富兰克林研究所所刊》(Journal of the Franklin Institute)。

罗森在投稿后就去了苏联。接替他的是新到的英菲尔德(Leopold Infeld)。虽然同样任助手,但英菲尔德年近40,已经不那么年轻了。他是因为在英国与玻恩合作的相对论工作引起爱因斯坦的注意而被他招过来的。

英菲尔德第一天上班,就碰见爱因斯坦与意大利著名数学家列维奇维塔(Tullio Levi-Civita)站在黑板前叽里咕噜地用“一种他们以为是英语的语言”讨论引力波。看着爱因斯坦“平静地”阐述着引力波不存在的缘由,英菲尔德大吃一惊。不过他很快说服了自己接受这个结论,还自己找出了一个证明办法。

后来英菲尔德在看球赛时遇到刚从加利福尼亚理工学院度完一年学术假回来的著名天文物理学家罗伯森(Howard Robertson),两人一拍即合成了好朋友。第二天,英菲尔德在数学系大楼见到罗伯森,得意洋洋地说他明白引力波为什么不存在。罗伯森自然不相信。两人仔细推敲了论证过程,罗伯森很快就找出了其中的毛病,令英菲尔德敬佩不已。他立即告知了爱因斯坦。爱因斯坦倒是回答说他也是刚刚发现了有问题。

巧合的是爱因斯坦已经安排好第二天在普林斯顿的学术例会上讲解他这个新成果。他一五一十地推演了引力波不能存在的“证明”后坦承这个结论可能并不成立。他几乎自嘲地感慨道,“如果你问我有没有引力波,我只能说我也不知道。但这是一个非常有意思的问题。”这句话至今还经常被人援引作为爱因斯坦曾经怀疑引力波的证据。

我们在地球上习惯用经纬度作为坐标系,球面上每一个点都有特定的经度和纬度。只有两个例外:南极和北极。在这两个点上经度完全没有意义,无法定义。这在数学上成为奇点,但并不说明这两个点不能存在。它们其实与地球上其它地方在几何上没有区别。如果我们换一下坐标或者方向,原来的极点就可以有“正常”的坐标值了。

爱因斯坦和罗森的错误属于同样的性质,只是其中的数学复杂得多。还是罗伯森进一步建议:如果把论文中的平面坐标系改换成柱形坐标,那么不仅原来的奇点不复存在,还可以推导出引力波来——不过不再是他们想寻找的平面波,而是柱面波。

这时候,《富兰克林研究所所刊》已经毫无悬念地接受了投交的论文并寄来排好版的清样请爱因斯坦校对。爱因斯坦也不含糊,直接就在校样上大刀阔斧,改得面目全非。因为结论已经完全相反,他干脆把原来《引力波存在吗?》的题目改成了《论引力波》,与十几年前的论文同题。修改后的论文是一个很有意思的结构:论文首先给出引力波作为场方程严格解的结果,然后叙述对这种解(也就是引力波)是否可能存在的“疑虑”,最后证明这些疑虑是没必要的,因为存在有严格的柱面波。

《富兰克林研究所所刊》最后发表的爱因斯坦和罗森《论引力波》论文版本

爱因斯坦在附给编辑部的信中只是轻描淡写地说他已经发现原稿的一些内容需要做一些重要的更正。发表的论文中只有一个脚注感谢罗伯森提供的帮助,但没有说明是什么性质的帮助。这个新版本的《论引力波》成为广义相对论场方程中引力波的第一个严格的数学表述,经常被称之为“爱因斯坦—罗森柱面引力波”。

在这场“风波”中,《物理评论》守住了同行评议制度的底线。他们不仅没有屈服于爱因斯坦的淫威,为他的论文开后门,而且还坚守了匿名原则,始终没有透露审稿者身份。直到69年保密期过后、当事人均已不在人世的的本世纪初,《物理评论》才公开了当时的记录。人们恍然大悟,原来那审稿的就是罗伯森。

在《物理评论》和罗伯森本人保存的档案里还发现罗伯森后来给《物理评论》编辑写过信,通告《富兰克林研究所所刊》发表的新版本表明爱因斯坦已经全盘接受他当初的审稿意见。但在公开场合,罗伯森至死都守口如瓶。他在发现身名显赫的同事犯了错误时,不显山不露水,通过英菲尔德这个小一辈迂回、委婉地提供协助,更没有试图为自己挣半点功劳,显示出非凡的绅士风度。(罗伯森当初的匿名审稿意见中便已经提到了论文讨论的其实是柱面波,只是爱因斯坦压根没有当回事。)

相反,爱因斯坦在那之后直到逝世的20年里,再没有向《物理评论》投过一篇论文。


(待续)


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