Wednesday, August 8, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十九):天罗地网捕捉引力波

完成了引力波的结果核查任务后,惠特科姆从加州理工学院退休。他没有离开LIGO大家庭,而是去了印度。早在2009年,那里的物理学家就策划起激光干涉仪。但直到2016年2月17日,印度总理莫迪(Narendra Modi)才借着一星期前发现引力波的轰动宣布原则性地批准这个项目。

印度的干涉仪其实只是LIGO的一个延伸。印度负责选址、基建,LIGO提供仪器设备、技术,双方合作建造LIGO的第三个干涉仪,所有设计都与已有的两个完全相同。因此,这个计划被称作“印度LIGO”(LIGO-India),计划在2024年完工。LIGO一直想在不同的地理位置再建一个探测点。原来希望是在南半球的澳大利亚,但因为当地政府未能提供资金支持而作罢,然后与印度一拍即合。

但这不是亚洲的第一个干涉仪。

早在1997年,日本的物理学家就已经建造成功一个臂长300米的激光干涉仪,是当时世界上的最大号。2010年6月,日本首相菅直人(Naoto Kan)批准了大型干涉仪计划,开始“神冈引力波探测器”(Kamioka Gravitational Wave Detector)的初期施工。这个干涉仪设计臂长只有3千米,更接近于Virgo。为了减少环境噪音影响,整个干涉仪建造于矿山内的地下隧道里。他们还准备将反射镜置于超低温条件下来进一步增强灵敏度和信噪比。神冈干涉仪遭遇了很多工程困难,一再延长工期。他们现在期望在2018年底或2019年完成实验调试,赶上LIGO即将开始的第三轮探测运作(O3)。

日本和印度的这两个干涉仪将填补亚洲的地理空白,在北半球形成美国、欧洲、亚洲的全面覆盖。如果它们能同时测到同一信号,便能大大提高确定辐射源的精确度和速度,有助于更及时地带动“多信使”观测行动。
地球上现有和建设中的引力波干涉仪分布图。
这些还都只是现有干涉仪的补充,因为它们在尺度上没能超越LIGO在利文斯顿和汉福德现有的两个干涉仪。她们那4千米的臂长依然首屈一指。其实,德瑞福设计的法布里—珀罗谐振腔让激光束在长臂两端的反光镜之间来回往返,大约280趟之后才被引入测试区。这样,4千米长的干涉仪“有效臂长”被扩展为1120千米。

这样的技术手段也有局限。保持多次发射的激光束的聚集性能、避免光路之间相互干扰等是对光源、反射镜的非常高的质量要求。为了突破这个瓶颈,欧洲的物理学家已经提出建造臂长达到10千米的下一代干涉仪的方案。这个被命名为“爱因斯坦望远镜”(Einstein Telescope)的计划目前尚处于设计、争取资助的初级阶段。

通过增加臂长来提高灵敏度是理所当然的想法。但实际困难却也随之放大。首先,地球不是平的,而激光却只能走直线。现有的4千米的长臂两端如果一样高,那么一端发出的激光会偏离另一端的目标整整一米。因此,干涉仪长臂的管道高度必须按照地球表面的弧度修正,为施工增加了不少麻烦。10千米的臂长则几乎无法在地球表面实现,只能是像神冈干涉仪那样将整个长臂置放于地下隧道中。

增加臂长不仅是提高灵敏度,而且还能让干涉仪更敏感于低频段的引力波信号。

韦伯当年率先探测引力波时,对引力波可能的来源、频率、强度等一无所知。他并不在乎这些细节,只要能测到就行。但即使是瞎猫,要逮到死老鼠也需要知道频率。因为他的韦伯棒只有在与引力波的频率重合时才能共振。

物理学家习惯用最简单或最极端的情形对未知的参数做一个估算。韦伯也不例外。他推算一个星体如果以光速绕着一个最高密度的星体公转,产生的引力波的频率大概是一万赫兹(Hertz),即每秒钟振荡一万次。这是一个上限的估计,实际引力波频率只会比它低。出于设计、制作韦伯棒的实际考虑,他最终选取的共振频率是1660赫兹。

与韦伯棒不同,干涉仪不靠在单一的频率上的共振探测引力波,而是有一定频率范围的覆盖。韦斯早就知道他的干涉仪最灵敏的频率范围大体与钢琴重合,最敏感的在1000赫兹左右。LIGO探测到的第一个黑洞合并的引力波高峰的频率则出现在约300赫兹。

LIGO“听到”的双星合并是一个仅仅几秒钟的短暂过程,其信号是一个频率越来越高的“啁啾”。在那之前,双星接近过程中一直也都在发射引力波,只是频率太低、强度太弱而没能被干涉仪察觉。如果能大幅加长干涉仪的光臂,使其敏感度更高、能听到的频率更低,就可能更早地捕捉到信号,可以更长久地跟踪观测整个过程。

遗憾的是,地球上的环境噪音干扰也是频率越低强度越高。所以,建造超长的干涉仪不仅存在施工上的困难,还会遭受更强烈的环境噪音影响。低频段的信号与噪音正是爱因斯坦望远镜所期盼的成功和面对的最严峻的考验。

自然,科学家们想到应该可以另辟蹊径,冲出地球。


早在1974年,韦斯在发表激光干涉仪设计的两年后就向科罗拉多大学的班德(Peter Bender)教授提议把干涉仪建造到地球外的太空轨道上去。那里有现成的真空,可以让激光束没有阻挡地直线传输上几百万千米的距离。那里几乎没有环境干扰:没有地震、狂风暴雨、海浪拍岸。除了月球上的吴刚,也没有人会在附近砍树。

班德很感兴趣,做出了原始的设计:发射三个航天器分别进入地球绕太阳的公转轨道上,一起伴随着地球巡天遥看一千河。它们彼此相距几百万千米,形成一个等边三角形。如果在一个航天器上装备激光光源,其光束可以分别发到另外两个航天器上的反射镜上再反射回来,形成一个巨大的航天干涉仪。(韦斯设计的干涉仪中两个光束呈直角,是出于争取最大灵敏度的考虑。等边三角形干涉仪的光束夹角只有60度,牺牲了一定灵敏度。但三个航天器位置对称,每一个都可以既是光源、测量器,又是反射镜,同时构成三个独立的干涉仪。)
在地球环绕太阳轨道上运行的引力波干涉仪LISA设计示意图。
这个雄心不凡的计划开始由美国航天局资助进行早期研究,后来在1990年代由欧洲航天局接手,被命名为“激光干涉仪太空天线”(Laser Interferometer Space Antenna,缩写为LISA,即“丽萨”)。那还是LIGO项目内斗正酣之际,加州理工学院最早跟随德瑞福、沃格特的一些年轻人因为不满巴里什的接管陆续离开LIGO后就近加入了在喷气推进实验室内开始的LISA。LIGO和LISA逐渐形成既合作、又竞争的局面。LISA的人员还曾一度坚信他们会在LIGO之前探测到引力波。

虽然太空具备地球上没有的优势,那里也并不完全平静。航天器时刻经受着太阳光、宇宙射线、碎片等随机碰撞,温度、磁场等随机变化带来的扰动,以及地球、月球及其它行星、甚至偶尔经过的彗星、流星的引力摄动。

LISA的科学家、工程师针对这些因素做出了精益求精的设计,也同时陷入项目资金要求越来越庞大的泥潭。美国航天局尤其摇摆不定,两度退出。好在欧洲航天局一直没有放弃,只是一再要求减小项目的规模以控制预算。LISA因此变成了eLISA(“爱丽萨”)——不断变更中(evolving)的LISA计划。

2015年底,欧洲航天中心终于发射了“丽萨探路者”(LISA Pathfinder)。这个航天器不是干涉仪,而是一个将来可以置放激光器、反射镜的模型,目的是考察是否能够排除太空的环境干扰,实现没有噪音的环境。经过一年半的测试,丽萨探路者取得了十分令人满意的成功,为后续计划坚定了信心。

目前来看,LISA作为完整的干涉仪在太空的实现可能还需要等待十来年。欧美之外,中国也在酝酿着相似的“空间太极计划”(中国科学院)和“天琴计划”(中山大学)。日本也有一个叫做“分赫兹干涉仪引力波天文站”(DECIGO)的类似计划。

如果这些能够顺利上天并成功运作,几百万千米臂长的干涉仪有可能将引力波探测再度推进到一个新的时代。她们超常的灵敏度、对极低频率的“听觉”不再只是捕捉双星碰撞最后一刻的辉煌,而是可以长期地——几年、甚至几十年——跟踪双星逐渐接近的过程。(在这期间,同一个干涉仪在轨道上不同位置持续观测,相当于在相距几亿千米的位置上有不同的干涉仪观测同一信号,可以更有效地定位引力波的来源。)

这样的观测不仅可以进一步验证广义相对论,还能准确地预告双星最后碰撞的时刻和方位,让地球上其它“多信使”观测仪器提前做好准备。也就是说,在可见的未来,人类将在有能力预测地震之前,准确地预测“天震”。



在地球环日轨道上运行的丽萨和她的姐妹们应该能观测到频率低达十分之一赫兹(分赫兹)的引力波。然而宇宙中却应该还有更低频率的引力波存在。天文学家推测在遥远的大星系的中心存在质量巨大的双黑洞,它们的运动发射着频率低达纳赫兹(10^-9赫兹)的引力波,也就是这个波动要30多年才能完成一个周期。或者说,这引力波的波长大于30光年。如此缓慢且微弱的变化是无法用干涉仪探测到的,除非我们能有长达光年尺度的测量仪器。

早在1978年,苏联天文学家便提出可以通过精准观测脉冲星来探测这样的引力波。贝尔当年发现的脉冲星是宇宙中无比精确的时钟,定时给地球送来射电脉冲。脉冲频率越快的越精确。1980年代以来,天文学家已经发现一系列毫秒脉冲星,其自转周期在1毫秒左右(也就是1秒钟内自转600来圈)。如果测量到的脉冲信号不是完全准确,那一定是存在什么干扰效应。正是通过对这种脉冲星信号的精确测量和分析,天文学家在1992年发现了有行星在绕某个脉冲星公转——那是人类第一次发现太阳系之外的行星。

因为脉冲星的电波传到地球的途中会感受到引力波的作用,从不同方向来到地球的电波会感受到同一个低频引力波的作用,就像我们在相距几光年、几十光年的不同地点设置了探测引力波的“浮标”。综合这些毫秒脉冲星信号的变化并排除个体、偶然因素,就应该可以从中看到波长几十光年的引力波。这种观测方式叫做脉冲星定时阵列(Pulsar Timing Array)。这个“阵列”指的是在宇宙空间排列着的一系列脉冲星——如同捕捉引力波的恢恢天网。

2004年,澳大利亚的帕克斯(Parkes)射电天文台率先开始了作为定时阵列的毫秒脉冲星信号测量。随后,欧洲和北美也相继开始了他们独立的观测。因为目标引力波周期之长,至少需要连续搜集几十年的数据才有可能从中找出可能的引力波线索。科学家十分乐观。2016年3月,喷气推进实验室的泰勒(Stephen Taylor)预测未来十年内通过脉冲星定时阵列探测到纳赫兹引力波的可能性有百分之八十。

最后,即使是以光年为尺度的脉冲星定时阵列也无法探测到频率最低的引力波。它——如果确实存在的话——仍然隐藏在宇宙微波背景辐射背后。BICEP2的乌龙式失败固然触目惊心,在科学历史上毕竟只是暂时的挫折。更多、更新的观测结果随时有望再现。也许我们不久就能真正地看到宇宙大爆炸伊始的“原始引力波”,给我们揭示出多重宇宙的秘密。
不同种类引力波的频率范围和相应的探测手段。从左往右:宇宙微波背景辐射中的B模式残留、脉冲星定时阵列、太空轨道上的干涉仪、地球表面的干涉仪。


在回顾引力波的发现时,物理学家舒茨(Bernard Schutz)描述人类一直像一个在密林中探险的聋子。他们四处观望,看到无数的树木、爬藤、野花、小鸟、猿猴等等,体验着一个五彩缤纷的世界,似乎已经很满足了。突然,他的听觉恢复了,立刻仿佛进入了一个全新的世界。他听到了几千米以外大树倒下的轰然回响、密林深处野兽的咆哮。世界不再寂静。

引力波的发现唤醒了我们的“听觉”,宇宙刹那间从绚丽的静止图片变成了活生生的世界。我们听到了黑洞碰撞的轰鸣,看到了双中子星合并时迸发的光彩。经历了最初的多层次感官冲击后,物理学家发现他们还没有满足。

霍金生前输掉的最后一个赌是2012年希格斯玻色子(Higgs boson)的发现——他曾经打赌那不可能做到。在祝贺成功的同时,他也不无遗憾地指出,希格斯粒子的发现让物理学变得没意思了。如果找不到这个粒子,物理学会有趣得多。

霍金没有在引力波探测上打同样的赌,也没有发过类似的感慨——他更得意于引力波验证了他自己当年对黑洞行为的预测,也与其他物理学家一样沉浸于对天文学进入一个崭新时代的憧憬。也许,如果他输了一个引力波的赌,也会流露出同样的失落。

因为引力波和希格斯粒子的发现一样,都“只”是验证了过去已有理论的预测。引力波更为古老,是爱因斯坦在整整一百年前提出的。已有的理论终于得到验证固然令人欣喜,却也“变得没意思”了。因为更令人激动的是现有的理论被实验结果质疑、推翻:意料之外的结果才更能发现新的未知、催生新的突破。

好在引力波不仅是一个发现、一次证实,更是一个新的工具。当天文学走向多信使的新时代时,我们还无法想象会有什么新的发现会出现。借助引力波,我们能够终于听到看不见的暗物质(dark matter)、接触上神秘的暗能量(dark energy)吗?通过对引力波更深入、细致的了解,我们是否能解决广义相对论与量子力学的矛盾,最终实现爱因斯坦统一物理学的梦想?

如果真的到了那么一天,我们应该还会记得,在捕捉引力波的整整一个世纪里,曾有过韦伯、韦斯、索恩、得瑞福、沃格特、巴里什、布拉金斯基、比令、休夫、惠特科姆……,还有过惠勒、费曼、贝尔、赫尔斯、泰勒、韦斯伯格……。他们孜孜不倦锲而不舍的追求,并不只是为了一个终极的结果,而更在于那不断探索、发现、创新的过程。


(完)

主要参考资料

  1. Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy, Govert Schilling, Harvard University Press, 2017.
  2. Black Hole Blues and other Songs from Outer Space, Janna Levin, Anchor, 2016. 中译本:《引力波》,胡小锐、万慧译,2017年7月中信出版社出版。
  3. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, Kip S. Thorne, W. W. Horton & Company, 1995. 中译本:《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》,李泳译,1999年湖南科学技术出版社出版。
  4. Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves, Daniel Kennefick, Princeton University Press, 2007.
  5. 加州理工学院“口述历史”档案(包括布拉金斯基、韦斯、索恩、巴里什、惠特科姆等LIGO项目参与者口述回忆)
  6. LIGO官方网站资料


科普

Sunday, July 8, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十八):引力波带来的宇宙声光大秀

人类自古便仰望星空,用肉眼观赏、辨识满天的繁星。伽利略(Galileo Galilei)在十七世纪初率先用自制的望远镜指向天体,大大地扩展了视野。麦克斯韦尔之后,物理学家知道光只是电磁波的一部分,在可见光之外还有着精彩的世界:从低能的射电、微波、红外线到高能的紫外线、X射线、伽玛射线,我们的“眼睛”越睁越大,“看到”的越来越多,对宇宙的认识也越来越全面。但直到2015年9月14日之前,我们还仅限于“仰望”,即依赖于电磁波给我们带来的“视觉”信息。

引力波是一个全新的信息载体。与在时空中传播的电磁波不同,引力波是时空本身的脉动。由于这种波动在意象上与在空气中传播的声波有一些类似之处,人们自然地将引力波与声音做类比。正如韦斯当年领悟的那样,LIGO探测到的引力波频率与他酷爱的钢琴乐声重合。在记者会上,他们也将测得的引力波信号直接播放,称之为“黑洞合并时发出的声音”。

于是,“时空乐章”、“引力波涟漪”、“宇宙回响”等与声音有关的华丽辞藻被普遍用来描述引力波的发现。虽然这只是一个类比,但人类确实是打开了一条新的“听觉”渠道:我们不再只是睁眼仰望星空,也能够同时竖起耳朵聆听天籁之音。

这便是沃格特领衔提交给国家科学基金会的申请中引述马基雅维利的诗句所体现的,LIGO的使命是革命性地“引入一个全新的秩序”。赖茨后来在记者会上稍微低调了一点,指出LIGO的成功完成了“天文学从无声电影到有声电影的过渡”。


比令在1989年开始他的引力波探测时曾向同事保证他不会在看到引力波之前死去。2016年时,101岁的比令又聋又瞎,独自住在养老院里。当后辈带着好消息来看望他时,他似乎短暂地恢复了记忆,喃喃道,“啊,引力波。我已经忘记了这么多事情。”一年后,比令去世。

虽然没到那样的高龄,进入老年的布拉金斯基退休后一直与疾病缠斗,同样挣扎着要活到看到引力波的那一天。得愿后不久,他于2016年3月29日辞世,终年84岁。他在莫斯科大学的团队一直是也继续是LIGO的一支主力部队。

德瑞福也在苏格兰的养老院中颐养天年。他已经完全陷入老年痴呆,浑然不知世事。护士将他推到转播LIGO记者会的电视机前时,似乎看到他的昏昏老眼里闪出一丝光亮。2016年9月,索恩在去欧洲领奖时特意绕道到爱丁堡拜访了德瑞福,居然还交谈了良久。德瑞福的弟弟说那是他少有的神志清醒的一天。索恩倍感欣慰地发现德瑞福明白他们已经成功探测到引力波。两个老人贴心叙旧,共同回忆当年为LIGO奋斗的岁月。

2017年3月7日,德瑞福去世,终年85岁。他的家人将其遗产五十万英镑捐献给格拉斯哥大学,设立了德瑞福奖学金,每年资助一名研究生的学业。


LIGO在2015年9月探测到引力波,经过四个多月的核实才在2016年2月11日宣布。这当然是出于他们的谨慎和负责。他们当时不会想到的是,这段拖延无意中为诺贝尔奖委员会解决了一个棘手的难题。

每年诺贝尔奖的提名截止日是1月31日。LIGO正好错过,无缘2016年的诺贝尔奖。在接下来的一年里,LIGO的成就几乎揽括了科学界所有沾得上边的奖(包括中国的“复旦—中植科学奖”和香港的“邵逸夫奖”)。这些奖项的颁奖对象略有不同,基本上都有韦斯和索恩两员主将,有些包括了德瑞福,有些则包括巴里什,还有的干脆颁发给整个团队。

诺贝尔奖比较死板。当初诺贝尔在设立奖金的遗嘱中规定了几个条件,包括获奖者必须是个人、而且是在世的活人,每项奖的获奖者不得超过三人。这两个条件一直被除和平奖以外的奖项顽固地坚持着,即使其它一些“不方便”的条件(比如获奖的应该是当年或最近的工作)早已被束之高阁。

发现引力波的成就应该获得诺贝尔奖是毫无疑问的理所当然。韦斯、索恩、德瑞福、巴里什四个主要角色如何取舍成三名获奖者却是一个人为的困境。在德瑞福去世之前,有些媒体已经提前为巴里什可能的落选鸣不平,认为他力挽狂澜的壮举和项目管理的卓越不应被忽视。

德瑞福的去世大概让诺贝尔奖委员会成员大大地松了一口气。2017年10月3日,他们顺理成章地宣布将当年物理学奖颁发给韦斯、索恩和巴里什三人。为了突出韦斯在干涉仪设计中的原始贡献,他独自获得一半奖金。索恩与巴里什平分另一半。
韦斯、索恩、巴里什(从右到左)荣获2017年诺贝尔物理学奖。


还在LIGO通过记者会向全世界宣布他们的重大发现之前,他们的两个干涉仪已经分别在2015年10月12日、12月26日两次探测到新的引力波信号。因为需要集中精力查证9月的那第一个信号,这些数据被暂时搁置,直到2016年6月15日才公开。10月12日的信号的统计意义比较弱,没有被正式确认为引力波。12月26日那次则被认定为另一例黑洞的合并。这次是两个分别为14.2和7.5太阳质量的“小”黑洞合并。它们距离也远一些,来自14亿光年之距。因为黑洞的质量比较小,LIGO得以观察到两个黑洞相互绕行27圈的“缓慢”旋进。合并后的黑洞有20.8太阳质量,只有0.9太阳质量被转化为引力波。

捕捉到这个信号之后不久,LIGO的第一次测量运行(O1)也于2016年1月19日结束。两个干涉仪关机下线,进行仪器调试改进。O1只持续了短短的四个月,但已经成果斐然。

经过将近一年的离线调试,原来在灵敏度上稍逊一筹的利文斯顿干涉仪有了显著的提高,反超汉福德。后者的灵敏度没能得到进一步改进,却也有了更好的信噪比。2016年11月30日,第二次测量运行(O2)正式开始。不久,他们便又在2017年1月4日、6月8日两次测得新的黑洞合并所发的引力波信号。

2017年8月1日,意大利的aVirgo终于完成了升级,加入探测行列。8月14日,地球上第一次有三个干涉仪同时探测到引力波,实现了对引力波来源的三点定位。(德国的GEO600因为灵敏度不足,迄今尚未探测到任何引力波。)

韦斯当年为LIGO命名时,曾因为这个名称中含有“天文台”的字眼与天文学界发生冲突,不得不解释他们这个项目并不真的是传统意义的天文台。随着这一系列观测结果的持续出现,他们这时倒已经成为一个名副其实的引力波天文台。与此同时,新闻媒体却已经不再有兴趣跟踪报道这些新发现,引力波已经演变为没有新闻价值的家常便饭。

而当年持怀疑、反对态度的天文学家们也早已捐弃前嫌,进入为了人类科学大事业共同合作的新时期。很快,他们也收获了欣喜的回报。


当我们的耳朵突然听到附近意外的声响时,我们会自觉或不自觉地转头观看,试图用眼睛发现这个声响的来源并获取耳朵无法分辨出的更多信息。LIGO很早就认识到,单独用干涉仪倾听引力波并不全面,也需要同时睁开眼睛,细察双星合并的精彩。

凝听宇宙的干涉仪与我们的耳朵还有一个很相似的地方:可以耳听八方。仰躺在地球表面的干涉仪能够听到来自各个方向的引力波(只是不同方向上的灵敏度略有差异)。相反,我们现有的各种光学、射电、X射线、伽玛射线等电磁波望远镜却也与我们的眼睛类似:只有非常有限的视角,只能在对准光源后才能接收到信号。

因此,干涉仪更适合于最初的发现。当他们“听到”信号后,如果可以指挥其它望远镜“转头”寻找来源,则可能“看到”更多、更详细的信息。

1960年代,美国军方发现他们的间谍卫星有时会遭到为时短促的伽玛射线束“攻击”。经过大概十年的研究才确认这个威胁其实来自宇宙空间,非敌方的人类所为。天文学家猜测那是某些大质量星体甚至黑洞爆炸、碰撞等“宇宙事件”的产物,但苦于无法确证。所能作的只是试图获取更多的信息。

1990年代中期,天文学界开始对偶然发生的伽玛射线、X射线爆发事件进行统一协调的多方位、多渠道观测。地球表面和大气层外的人造卫星上的很多具备远程控制功能的望远镜已经实现联网。一旦某个望远镜接收到不明来源的突发性信号,立即会把坐标自动“群发”给其它伙伴。顿时,世界各地以及外空中的上百架望远镜可以一齐指向那个方向,试图捕捉同一事件的伴随信号。

从一开始,LIGO科学合作组织便加入了这个联网,准备利用他们耳听八方的优势帮助天文学家寻找目标。不过,2015年9月14日的第一个发现来得太突然,这些自动协调的机制尚未到位。冈萨蕾斯等人只好亲自打电话通知天文台的朋友,请他们临时“转头”观测,结果一无所获。随后的几次引力波的发现开始了实时引导天文望远镜的观测,也同样地没有成果。

这其实属于意料之中。干涉仪所发现的五次引力波都来自黑洞的碰撞合并,整个过程始终是在黑洞强大的引力场内进行,没有什么物质——包括电磁辐射——可以逃逸。因此除引力波之外并不能指望有其它的信号可以被观测到。(当然,这并不是说天文学家不需要去尝试,因为新的科学发现往往会出现在意料之外。)

当黑洞的合并已经习以为常后,LIGO的科学家翘首以盼的是能够发现中子星的合并。中子星没有黑洞那么强的引力场,其合并过程会伴随着强大的电磁辐射。虽然合并本身的过程极其短暂、发射的引力波脉冲稍纵即逝,但可见光、伽玛线、X射线等往往是在合并时星体物质高速碰撞、被抛射时和之后才发生,因此时间上有一定迟疑,辐射的过程也比较长,正好给地球上的望远镜提供“转头”寻找的时机。

这个机会终于在2017年8月17日出现。也就是三个干涉仪同时发现黑洞合并的三天后,三剑客又同时获得新的信号。与前五次不同的是,这是人类第一次直接探测到双中子星合并的引力波。

这个信号首先到达意大利的Virgo,然后在22毫秒后来到利文斯顿,再3毫秒后通过汉福德。与黑洞合并时探测到的不到一秒钟的脉冲不同,质量小的中子星合并是一个相对缓慢的过程,探测到的引力波信号持续了约100秒。分析表明这是两个质量稍大于太阳的中子星合并,产生了一个2.7太阳质量的新黑洞。这次合并发生在大约1亿3千万光年的距离,相对来说是比较近的。
LIGO公布的2017年8月17日双中子星合并的基本科学数据。

引力波过去1.74秒后,在地球上空轨道上运行的美国费米伽马射线太空望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)探测到一组历时约2秒的伽马射线风暴。

LIGO和费米望远镜都及时发出了预警。在他们联合定位的引导下,地球上多个光学观测组在其后的数小时内集中搜寻,在指定范围内发现了一个新的光源,犹如那里短暂地出现了一颗新的星星——那便是双中子星合并后的残余。位置确定后,地球上大约70个不同的望远镜都瞄准了那颗新星,进行射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽玛射线的全方位持续观测。

欧洲南半球天文台(European Southern Observatory)的“非常大望远镜”(Very Large Telescope)连续跟踪观测了12天。双星合并之初,可以观测到相对很强的光亮,最明亮的是在从绿光到橙光的可见光频段。随着时间的流逝,总体光强逐渐减弱,最明亮的区域慢慢地移向能量小的红光、红外。11天后,新星消失,不再能观察到。
“非常大望远镜”对2017年8月17日发现的双中子星合并的11天跟踪测量的紫外、可见光、红外(从左往右)频段光谱。横坐标是波长,纵坐标是亮度。曲线上的数字标注合并后的天数。

10月16日,共囊盛举的世界各地天文学家集体对外公开这一次不寻常的观测,同时发表了几十篇论文,从各种角度报告观测的结果。颇具代表性的是一篇题为《双中子星合并的多信使观测》(Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger)的论文,署名有3千多位共同作者,在天文领域属于绝无仅有。

“多信使”一下子成为时髦的新闻用语。这次观测标志着人类摆脱了“仰望星空”的单一依赖电磁波作为信息载体(信使)的局限,在“看”的同时也能“听”到另一个信使——引力波——带来的消息。这是LIGO所带来的又一个划时代的突破。(比较遗憾的是,在电磁波和引力波之外,这次的合并事件中没有接收到相应的中微子束,因此没能实现更全面的多信使观测。这应该是因为合并时中微子的发射方向没有指向地球。)

双中子星合并的引力波与初始的伽玛射线风暴几乎同时抵达地球,证实了广义相对论中引力波以光速传播的预言。(伽玛射线稍微滞后将近2秒,是因为它们发出的时间上有差异。)这也是我们第一次有确切的证据表明过去观测到的短促伽玛射线“攻击”的确来自双中子星合并。

光学望远镜的测量也揭示了诸多从引力波无法“听到”的信息。通过光谱分析可以知道中子星合并时产生了大量铅、金、铂等重金属元素,解决了天文学中一个历时悠久的疑问。物理学家已经知道,通过恒星内部的热核反应,原始的氢元素能够逐级聚变产生氦、碳、氧等元素。但重金属元素的来源一直无法确定。这次的发现令科学家相信,我们地球上——整个宇宙中——的所有金子,以及制造原子弹的铀和钚、日常电器中不可或缺的稀土元素等等,可能绝大部分都来自远古某些双中子星的合并。

天文学进入了一个新的纪元。


2017年8月25日,双中子星合并发现的11天后,运行了近九个月的O2结束了。LIGO的干涉仪再度下线维修、改进。目前我们还不知道下一轮的测量运行(O3)会在什么时候重新启动,又会带来怎样的惊喜。


(待续)



Thursday, July 5, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十七):终识引力波真面目

2015年9月25日,亚利桑那州立大学的物理学家克劳斯(Lawrence Krauss)教授在社交媒体推特(twitter)上冷不丁地发出一条消息,说有传言LIGO已经探测到引力波,如果确实的话会很惊人。克劳斯是著名的科普作家,他在推特上拥有近49万粉丝。
克劳斯在2015年9月25日发的推特。
他没有透露消息的来源。


升级版的aLIGO是在2010年安装完毕的。在这场脱胎换骨中,干涉仪内部的所有仪器被全部拆除,改换成更先进的版本。神奇的是,他们如此之大手术却没有破坏干涉仪长臂中那庞大体积内极高的真空。这个真空状态自1998年形成后就一直持续地维持着。LIGO主任赖茨骄傲地总结道:“我们更换了所有的东西,除了没有的东西。”(We changed everything, except for nothing.)

当初的iLIGO在安装完毕后曾经花了十来年才调试到10-21的设计灵敏度。有了那个摸索过程的基础和经验,aLIGO安装完毕后只用了几个月的时间便超过了那个灵敏度。及至2015年9月,两个干涉仪的灵敏度就都达到iLIGO的3倍。这还没有达到aLIGO的设计目标,但已经是很大的改进。

干涉仪的灵敏度也可以反过来用它所能凝听的距离、体积来表示。iLIGO的灵敏度让它能听到大约6千万光年之内的双中子星碰撞所产生的引力波。这时的aLIGO的侦听距离增大了三倍,达到近2亿光年的距离。在三维宇宙中,距离增加3倍,相应体积便增大27倍。在这个扩大的体积内,有着成千上万的星系,其中可能的双中子星数量大大增加。据理论估算,iLIGO可能每十年能观测到一次双中子星合并,而这时的aLIGO已经能在一年中遇到好几次。

因为泰勒和赫尔斯的发现和其后的大规模观测,天文学家已经较清楚地知道双中子星在星系中存在的密度,因此可以有根据地做出这样的估计。但韦斯、索恩、惠特科姆等人却还抱有更大的希望。如果两个黑洞碰撞合并,因为它们的质量比中子星大得多会产生更强烈得多的引力波信号。因此,干涉仪的探测范围还会更大,有可能听到十几亿光年之外的双黑洞碰撞的回响。

在二十一世纪,物理学家对黑洞的存在已经不再怀疑。但黑洞之所以被冠名以“黑”,是因为它们的引力场如此之强,即使以光速运动的电磁辐射也无法逃逸。因此我们没法直接观察到黑洞,只能通过其对周边星球、宇宙物质的引力作用而推测。虽然黑洞的存在本身没有疑问,两个黑洞是否会彼此接近到形成双黑洞,乃至加速接近、碰撞而合并,却依然是个只存在于超级计算机模拟计算之中的壮丽。

在LIGO一帆风顺的同时,Virgo的升级过程却陷入困境,无法按时完成。到2015年秋季,LIGO不再等待Virgo的完工,先行用自己的两个干涉仪进入实际观测。也就是说,干涉仪的运作将从“工程调试运行”(engineering run)转换为实际的“观测运行”(observing run)状态。按照计划,第一个观测运行期(O1)在2015年9月15日那个星期一开始。

9月14日的星期天晚上,两个干涉仪遭遇分别来自太平洋和墨西哥海湾的风暴影响,在试图进入锁定状态时困难重重。在工作人员的持续努力下,汉福德的干涉仪当地半夜时分率先实现了锁定。随后,利文斯顿的干涉仪也在当地临晨4点之前进入了锁定。疲惫无比的工作人员长舒一口气。大部分人回家了,留守值班的也各自找安静的所在休憩。干涉仪自行维持着锁定状态,静静地等待来自宇宙的任何微扰。“O1”开始了。

韦斯正在与家人度假。他那天晚上一直在计算机上远距离关注着进展,这时也听从妻子的劝告上床休息。

大约一小时之后,一丝引力波的涟漪悄无声息地穿过地球,在当地时间4点50分先到达利文斯顿,几毫秒后又经过汉福德(当地时间2点50)。不到一秒钟后,它已经消失得无影无踪。地球上没有人觉察出它的到来和离去,只是两个干涉仪的数据记录中都留下了短暂的一串小脉冲。


欧洲这时是星期一的上午,人们在正常地上班。信号过去4分钟后,在德国汉诺威工作的意大利籍博士后德拉戈(Marco Drago)于当地时间上午11点54分收到一份监控软件自动产生的电子邮件,提示他这个信号的出现。他的第一反应便是这个波形太像引力波了,大概又是一次“人为注入”的演习。
图中顶排是汉福德(左)和利文斯顿(右)干涉仪在2015年9月14日测得的引力波信号。右上图的利文斯顿信号上也重叠了修正时间差的汉福德的数据,显示二者的重合度。第二行的图是去除背景噪音后的观测结果与理论模拟的黑洞合并过程产生引力波的比较。第三行图显示引力波信号中所含的背景噪音部分(上两行数据之差)。最底一行显示引力波频率和强度随时间的演变。
不知是有意还是碰巧,LIGO过去两次有影响的人为注入演习——“秋分”和“大狗”——都发生在9月份。这次很可能又是故伎重演。但德拉戈和他在德国的同事都觉得太过蹊跷。aLIGO的升级刚刚完成,仅仅几小时前才勉强实现锁定。人为注入的演习不可能这么快就能实施。

他们立即向美国的干涉仪控制室打电话询问,那边依然是黎明前的寂静。汉福德那里没人接电话,利文斯顿值班人员说一切正常,他们没有在做什么调试。德拉戈再也按耐不住。他发出一份简短的邮件,提醒LIGO科学合作组织成员他的发现。此时信号刚刚过去一个小时。

惠特科姆早就计划好9月15日从加州理工学院退休。随着aLIGO进入实际观测,他在这里的使命也已基本完成。但他也应诺如果干涉仪探测到有意义的数据,他会回来协助把关,负责随后的检验、核实工作。这天晚上,退休前夕的惠特科姆睡不好觉,早上4点就起来查看邮件。看到德拉戈的信件后,他立即告知妻子:他的退休计划至少在未来几个月里是泡汤了。

接下来的一整天LIGO科学合作组织内部有点人心惶惶,大家都在互相打听是否有过人为注入的演习。只有担任组织发言人的冈萨雷斯(Gabriela Gonzalez)清楚这个答案,因为演习必须由她拍板。她看到德拉戈的邮件时百感交集,知道这非常可能就是他们梦寐以求的天籁之音。

只是她还不能暴露真相,而当务之急却是要立即补救德拉戈捅出的大娄子。一时激动中的德拉戈整个忘了他们预习、操练过的工作程序,他把邮件群发到LIGO内部好几个人员广泛的邮件组。冈萨雷斯作为邮件组的管理人,成功地拦截了德拉戈发给所有人的那一份。但其他邮件组中很多“不相关”人员已经收到了邮件。

9月16日,冈萨雷斯、赖茨与其他几位高层领导联名给整个组织发送了一份措词严肃的信件,提醒大家这个时候最最重要的是严格对外保密,不得提前泄露信息导致误会。

亡羊补牢显然已经晚了。九天后,克劳斯便发出了他的推特。随后,冈萨雷斯的电话被闻风而来的记者打爆。她只能以官腔套话应付,同时在内部颁布禁言令,禁止回应、评论克劳斯的消息或在社交媒体谈论此事。希望克劳斯的捕风捉影能够自生自灭。

在惠特科姆的领导下,负责核查数据的人员已经按照既定程序按部就班地排查地震、飓风、陨石、风暴等等一切可能的随机噪音源。他们果然在国际气候数据库中发现西非的布基纳法索在同一时间有过一次异常强大的雷电袭击。深度数据分析表明该电击事件距离太远,无法震动美国干涉仪的悬镜。

但惠特科姆更为忧虑的是人为的因素:既然他们可以设计出瞒天过海的人为注入手段,难道他们团队中那么多聪明绝顶的年轻人不会有人动同样的心思以促狭?会不会有人离开项目后心存不满而故意捣乱?甚至,有没有可能系统被外面的黑客打入?看到他几乎成为偏执狂的状态,同事安慰他道,如果黑客中真有人能干出这么漂亮的捣蛋,那本身也该值得赢个诺贝尔奖了。

一直到接近年底的三个月后,他们终于确定这个信号的真实。


过去二三十年里,当实验物理学家兢兢业业地设计、制作、调试激光干涉仪时,只擅长“纸上谈兵”的理论物理学家也没有袖手旁观。他们利用威力越来越强的超级计算机对各种可能的引力波源进行了全面、详细的模拟计算。仅仅是两个星球碰撞合并就会有几十万种不同组合:不同质量的黑洞碰撞、不同质量的中子星碰撞、不同质量的黑洞与中子星碰撞、碰撞之前不同的初始条件、碰撞之后合并星球的不同质量、它们与地球距离的不同远近、轨道相对地球的不同角度……每一种情形会产生稍微不同的引力波波形,犹如每个事件有着独特的指纹。他们建造了一个全面的引力波波形数据库,一旦测量到信号便可以按图索骥。

与2015年9月14日测得的信号最符合的是两个黑洞的碰撞,其中一个质量是太阳的36倍,另一个则是29太阳质量。二者合并之后,产生了一个62太阳质量的大黑洞。前后所差(36+29-62)的3个太阳质量便全都被转换为引力波的能量,爆发性地向整个宇宙激荡。测量到的信号与理论预测非常准确的高度契合也为信号的真实性提供了更大的信心。

我们的太阳每秒钟释放的能量是其本身一个太阳质量的一万亿之一的十亿分之二。这“区区”一点能量已经足以为地球上的生物提供合适的光亮和温暖。这次黑洞的合并是三倍于太阳质量的能量在几微秒内的释放,真可谓“惊天动地”。或者说,这个瞬时释放的能量是宇宙中所有恒星发光的能量总和的十倍还多。因此,这也是人类所确知的除了宇宙大爆炸之外最剧烈的能量释放事件。

这两个黑洞质量如此之大,它们碰撞释放的能量如此之强,以至于它们虽然相距地球达13亿光年之远,也被LIGO的激光干涉仪捕捉到了。

LIGO所测到的还不只是那一瞬间的辉煌,而是包括了两个黑洞碰撞前最后的四圈公转,以及合并后新黑洞的身影。虽然这整个过程只持续了大约0.2秒,引力波的波形却提供了一个栩栩如生的图景:信号伊始时,两个黑洞相距大约与它们自身大小5倍的距离,有着三分之一光速的相对速度。它们像交谊舞的舞伴相拥旋转了四圈,在信号中表现为8个近乎标准的周期。这个阶段叫做“旋进”(inspiral),其间黑洞之间距离越来越小、相对速度越来越大,测得的引力波的振幅也随之增大、频率升高,犹如小鸟的啁啾(chirp)。然后,黑洞接近到它们自身大小的距离,相对速度达到接近百分之六十的光速。这时它们轰然合并(merger),引力波的振幅达到最高峰。随后,如同被突然打击了一下的锣鼓,合并之后的大黑洞还会发出一小段急剧减弱引力波信号,叫做“铃宕”(ringdown)过程。最后,一切恢复静寂,仿佛什么也没有发生过。
2015年9月14日汉福德测得的(去除背景噪音后)引力波信号(灰线)与理论计算(红线)的对比。上图显示两个黑洞接近、合并和铃宕的整个过程。下图是相应的两个黑洞之间的距离(黑线,右边坐标轴)和相对速度(绿线,左边坐标轴)。
在宇宙空间以光速传播了15亿年后,这个引力波终于来到地球。她只剩下10^-21级别的微弱荡漾,却依然保留着这些细节供我们回放远古的历史。


LIGO的论文于2016年1月21日送交《物理评论快报》。期刊事先已经得到讯息,接到稿件后立即优先安排同行评议。1月27日,匿名的审稿人便通过了审阅。1月31日,稍经修改后的定稿送达期刊,排定为2月11日正式发表。
发表于《物理评论快报》的发现引力波的论文第一页。
《物理评论快报》是物理学界最为引人注目的科研期刊。作为“快报”,其宗旨是迅速、简洁地发表重大突破性的成果。发表的文章篇幅一般限制在4页之内。LIGO这篇里程碑式的论文显然篇幅过长,共有16页。其中满满5页却全都是作者和所属科研单位的名单——共有1011名作者,代表着16个国家的133个大学、机构。尽管这次探测是在Virgo和GEO600缺席(前者因为升级尚未完成;后者则当时未处于观测状态,也不具备需要的灵敏度)的情况下由LIGO的两个干涉仪独立完成的,论文作者还是根据事先的合作协议包括了所有的有关人员。

出于韦伯的原罪和BICEP2的乌龙,LIGO领导层坚持必须在同行评议通过之后才能公开这个结果。他们同时也知道,随着时间的拖长,保密会越来越困难。2016年1月11日,克劳斯又发出一份推特,声称他有了新的消息源,旁证他三个多月前发的探测到引力波的消息之真实。物理学界也已经沸沸扬扬,消息、传闻、猜测不胫而走。

众人翘首以盼的记者会终于在2016年2月11日召开。《物理评论快报》配合行动,在记者会同时将论文在网站上推出。他们在头天晚上特地将原有的4个网站服务器增加到6个。但几分钟之内还是因为过多的流量而集体宕机。他们不得不临时再增加10个服务器。

赖茨、冈萨雷斯、韦斯、索恩相继在会上介绍了引力波的发现及其意义。赖茨直截了当地宣布,“女士们、先生们:我们已经探测到了引力波。我们做到了!”
2016年2月11日宣布探测到引力波的记者会主席台上:赖茨、冈萨雷斯、韦斯和索恩(从左到右)。
这还不仅是人类第一次直接探测到引力波,而且也是第一次与黑洞最真切的亲密接触。虽然物理学家对黑洞的存在已不再存疑,对它们的了解却还是非常之少。他们猜测宇宙中存在两种不同来源的黑洞:其一是大型星系——比如我们的银河系——的中心存在的巨型黑洞,它们的引力场维系、携带着整个星系在广宇中漫游。另一类则是由大质量的恒星在核燃料耗尽后崩塌而成,是白矮星、中子星的同袍大哥。因为恒星内部热核反应速度与它的大小、质量息息相关,一般认为恒星不可能长得太大。它们塌陷后形成的黑洞应该只是太阳质量的十几倍。

LIGO的第一个实测结果便揭示了29倍、36倍、62倍太阳质量的“大”黑洞的存在,超越了原先的想象。它更第一次证明了黑洞双星体系的存在以及它们碰撞合并的可能,进一步丰富了天文学的认知。

在描述了这些划时代意义的重大发现之后,冈萨雷斯自信地预言,这还只是LIGO干涉仪探测到的第一个信号。今后,他们一定会持续有新的发现。她没有透露的是,其实更多的信号当时已经被探测到,只是尚未通过他们严格的鉴定程序,因此还没到能够公开的时机。


(待续)


科普


Sunday, June 17, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十六):南极上空的乌龙

2014年3月17日,正当LIGO的年轻人在争分夺秒地完成aLIGO的升级换代时,一场盛况空前的记者会在哈佛大学召开。通过互联网实况转播,全世界有将近一千万人在收看。很快,消息在网上轰动性地传开。各大主流媒体也紧跟着发出振奋人心的新闻稿,其中充斥一连串引人入胜的大名词:“宇宙大爆炸”、“暴涨”、“多重宇宙”、……“引力波”。

即使在学术界,圈内的物理学家也按捺不住兴奋,纷纷赞誉这将是人类历史上最重要的科学发现之一。

这个划时代的观测结果没有来自汉福德和利文斯顿,而是地球上最为人迹罕至的地点之一:南极。


1980年,萨根为美国公共电视台制作了一个收视率破纪录的科普系列电视片《宇宙》(Cosmos: A Personal Voyage)。他在第九集开场的第一句话是,“如果你想从零开始烤制苹果派,那你首先需要发明宇宙。”(If you wish to make an apple pie from scratch, you must first invent the universe.)

如果没有宇宙,我们不会有面粉、苹果、糖;不会有小麦、苹果树、甘蔗;不会有土地、水、阳光;不会有地球、太阳;不会有碳、氧、氢等各种元素;不会有质子、中子、电子、光子……当然,也不会有我们自己,便无从烤制苹果派。

自从1964年贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊误打误撞地发现了宇宙微波背景辐射后,原来匪夷所思的大爆炸理论开始得到普遍地接受。因为那个辐射便是大爆炸的遗迹,犹如考古发现的化石。

不过,如果宇宙自大爆炸发生后便一直像今天这样地膨胀,却也无法解释宇宙的一些特征(其中之一是巴里什梦寐以求的磁单极之不存在)。为了解决这个困难,物理学家在1980年代提出“暴涨”(inflation)理论,弥补了缺陷,构造出更具体的宇宙初始图像。

在大爆炸发生后10-36到10-32秒时,也就是一万亿分之一的一万亿分之一的一万亿分之一秒后的那“一瞬间”,宇宙有过一次剧烈的“暴涨”。在所有的空间尺度呈指数增长,“一下子”扩大了大约1026(e60)倍。起初只有微小的基本粒子尺度的宇宙便具备了可观的大小。暴涨结束后,宇宙依然继续膨胀,但不再那么剧烈。

暴涨之后的宇宙是炼狱般的高温(1032度),没有星球,没有原子,但充满着电子、正电子、质子、中子、光子、中微子这些基本粒子。这是一种特殊的“等离子体”(plasma,老一代中国物理学家曾经翻译为“电浆”,也许更为形象)。这个电浆如此稠密,光子没法自由运动,是一个完全不透明的“黑暗”世界。

大约38万年以后,这个“年轻”的宇宙终于通过膨胀冷却到了3000度以下,质子和电子第一次可以结合成稳定的氢原子。充满宇宙的粒子气体不再是带电的粒子,而是中性的原子,光子可以在其间自由穿梭。如同满屋子的水蒸气在温度降低后凝聚成水滴,宇宙突然变得透明。这些光子便是大爆炸之后所能见到的第一束光,宇宙的第一抹“曙光”。

再经过一百多亿年,宇宙继续膨胀、冷却,逐步演化成为今天丰富多彩的世界。那原始的第一束光随之耗散、冷却之后,便是彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙微波背景辐射。


因为量子力学中特有的随机性,高速运动质子和电子会自发产生密度涨落:它们在有的地方多一些,有的地方少一些。凝聚出来的氢也有相应的密度差异。引力在这时成为主导力量,密集的氢因为互相之间的引力逐渐汇聚在一起形成早期的星球,然后又在自身重力的压迫下发生一系列核聚变反应。于是我们才有了氦,有了碳,有了金属,有了行星……然后,出现了人类,发明出如何烤制一份美味的苹果派。

就像起初的大爆炸一样,暴涨理论很难被大部分物理学家接受。近乎不可思议地,这个理论还必然地推论出暴涨过程中的宇宙不是单一的,而是同时会出现大量平行、互相隔离的宇宙。我们所在的宇宙只是其中之一。这就是所谓的“多重宇宙”(multiverse,与universe相对),似乎现代宇宙学已经侵入了科幻小说的领地。

不过,这个理论最大的弱点也是与费曼几十年前讥讽当时的宇宙学如同一辙:说得天花乱坠,却只是纸上谈兵,没有实际依据。

当然,人类不可能在实验室里制造出一个大爆炸来观察、验证,最多只能像考古学那样:寻求远古的化石,仔细钻研化石上残留的蛛丝马迹,试图还原出那过去的故事。

最早的化石便是宇宙微波背景辐射,那是宇宙38万年时的产物。它是否含有更早期的“宝宝”宇宙留下的蛛丝马迹呢?的确有可能,那却有赖于我们的老朋友——引力波。

早期电浆中的密度涨落是质量的变动,因此会激发出引力波。引力波与光子相互作用,能够影响光子的偏振(polarization)态,使之呈现出一种B模式(B-mode)。这个B模式会一直残留到今天的宇宙微波背景辐射中,便是我们可以寻找的蛛丝马迹。


彭齐亚斯和威尔逊的天线设备相当简陋。他们发现宇宙微波背景辐射无时不有无处不在,似乎是均匀的地弥漫于整个宇宙,各个方向没有区别。

我们现在已经习惯于用微波炉加热甚至烹调食物,非常快捷方便。这是因为食物中的水分很容易吸收微波的能量。因为同一原因,我们在地球表面很难精确测量来自太空的微波,因为它们绝大部分已经被大气层中的水气吸收。

韦斯在麻省理工学院发明干涉仪的同时就在设计用气球携带仪器上升到大气稀薄的高空测量宇宙微波背景辐射。在他苦于找不到干涉仪的资助而走投无路时,美国航天局对他的微波实验发生了兴趣,不仅提供资助,还聘请他担任宇宙微波背景辐射探测委员会主席,主持将仪器装载到人造卫星上进行大气层之外测量的大项目。

1990年代初,一颗名为“宇宙背景探测者”(Cosmic Background Explorer,简称COBE)的卫星对宇宙微波背景辐射进行了第一次全面、精细的测量,发现该辐射并不是完全均匀的存在,宇宙空间不同区域之间的辐射温度有着千分之一量度的差别。这个结果证明了大爆炸之初的宇宙的确存在密度差异。现在辐射温度稍微高的地方便是当初密度稍微大一点的区域,这些地方后来发展成星系、星系团、星云等等的所在。
1990-1992年间COBE卫星拍摄的宇宙微波背景辐射温度分布图。

主持这项测量的物理学家斯穆特(George Smoot)激动地回顾,当他看到COBE描绘出的这个图像时,仿佛“看到了上帝的脸”。斯穆特和马瑟(John Mather)因为这个项目荣获2006年诺贝尔奖。作为该项目先驱、领路人的韦斯却被擦肩而过。

COBE之后,物理学家乘胜追击,开始了一个叫做“宇宙外星系偏振背景成像”(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)的测量项目——之所以采用这么一个拗口得不知所云的名字,也只是为了凑出一个强有力的缩写:BICEP(“二头肌”)。他们设计了一个新型的能精确测量微波辐射的望远镜,安装在南极点附近。
位于南极的BICEP2望远镜(前面房顶上),后面是另一座“南极望远镜”(South Pole Telescope)。

南极看起来冰天雪地,其实却是一个高原沙漠。那里海拔2700米,空气稀薄。更因为极其寒冷,大气中也几乎没有水分子。(南极本身没有雨雪,地面上的冰雪是被风从远处吹来堆积而成)。在无法或没钱把望远镜装上高空气球或人造卫星时,南极是地面上观测微波辐射最佳地点之一。

相对于LIGO的大科学大协作,BICEP只是寥寥几个人的小团队。他们的任务看起来也简单得多:在微波辐射的偏振中寻找B模式,“只”需要三千万分之一的灵敏度。更优越的是他们不需要苦苦等待那不知道什么时候才可能发生的巨星碰撞。如果B模式存在着,它随时随地都在那里等着被发现。

然而他们也有类似LIGO的难处。宇宙空间弥漫着微波辐射,并不都来自远古的大爆炸。当这些微波被银河系中的宇宙尘埃(cosmic dust)散射时,也会带上B模式偏振。这些就如同LIGO中的环境噪音,稍不留神就可能以假乱真。


2014年3月17日召开的记者会便是宣布第二代的BICEP2已经成功地在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振,而且其强度比预计的高很多。这个结果为暴涨理论提供了第一个切切实实的证据支持,因此也同时证实了让媒体、爱好者更为兴奋的多重宇宙。

早在1978年,泰勒和韦斯伯格通过对中子双星的轨道塌缩测量已经间接证实过引力波的存在。但在哈佛的记者会上,他们依然强调他们也由B模式偏振而发现了引力波。的确,他们的结果具备新的特点:其一,BICEP2“观察”到的是最原始的引力波——宇宙大爆炸的“第一次震颤”;其二,引力波对光子偏振态的作用是引力与量子力学结合的第一个证据,可以为“量子引力”(quantum gravity)注入新的生命力。

应邀作为与实验无关的“中立人士”在记者会上讲解的物理学家卡米尔考斯基(Marc Kamionkowski)当场形象地描述道,“如果这个结果靠得住的话,暴涨已经给我们送来了一份电报,以引力波的方式书写在微波背景的天空中。”

或者说,我们不仅看到了创世纪时上帝的脸,而且找到了他的指纹。


虽然BICEP2团队是搜寻B模式的先行者,他们并不孤独。在他们取得数据时,另外几个用不同方式测量的团队也已接近成功,包括他们最强劲的竞争对手:欧洲航天局专门为测量微波背景辐射发射的新型人造卫星“普朗克”号。

一方面,他们希望能多角度地核查自己的数据;但另一方面他们更害怕因为等待而失去这一具里程碑意义的发现的优先权,痛失稳拿的诺贝尔奖。他们曾请求普朗克团队提前分享数据做对比,被拒绝。于是他们只能根据对方在一次公开演讲用的图表粗略估算其背后的数据,似乎与他们自己的测量没有冲突。

当那场记者会召开时,他们尚未完成论文,也就还没有经过同行评议的考验。但他们已经等不及了。记者会之后,他们把论文稿在物理学界熟知的预印本网站(arXiv.org)公开。于是,一场自发的、群策群力的同行评议随之展开。

三个星期之后,论文还没有正式提交。但这个结果如此轰动,预印本网站上已经出现250篇与此有关的新论文。在这么多的瞬时引用中,已经有个别文章指出他们探测到的也许不是大爆炸的回音,而只是来自银河系内宇宙尘埃——也就是“噪音”。两个月后,普林斯顿大学的天文学家发表了论文,详细论证了BICEP2团队明显低估了银河尘埃的影响。

三个月后,BICEP2团队的论文通过了同行评议,发表在《物理评论快报》上。这个正式发表的版本与他们公开的预印本有显著的修改。因为匿名审稿人的建议,他们删去了有关与普朗克卫星数据相对比的部分,因为他们的估算并不可靠。但这时,对他们结果表示怀疑的舆论也已经开始压过赞赏的。

再后来,普朗克卫星团队正式发表了他们的数据,证明银河系尘埃的噪音与BICEP2所测得的信号同级,也就是说后者的结果不具备统计意义。BICEP2团队不得不撤稿,一场轰动全世界的重大科学发现极为难堪地落幕了。
《物理世界》报道BICEP2结果被否定的新闻,题目一语双关地指出他们“吃了一口土”(bites the dust)。


费曼曾经指出过,科学研究中最重要的是“你不能糊弄自己,而你自己恰恰是最容易被蒙骗的人。”(The first principle is that you must not fool yourself--and you are the easiest person to fool.)无论是出于过度的自信,还是过于期望梦想成真,BICEP2团队被他们自己的热情和轻率蒙骗了。

失望的还不止是始作俑者,还有霍金。霍金曾经为了暴涨理论与图罗克(Neil Turok)打过一个赌。因为BICEP2的结果,他以为终于能够赢得一局。倒是图罗克比较冷静,没有立刻认输,反得以笑到最后。

尘埃落定之后,普林斯顿大学的爱因斯坦讲席教授斯坦哈特(Paul Steinhardt)在《自然》(Nature)杂志撰文,满怀激情地鼓励实验物理学家不要灰心丧气,应该再接再厉,继续探寻暴涨理论的是非证据。但同时他也严肃地提醒道:全世界都会在密切注意着这个动态,以后要切切保证测量结果中没有混杂环境因素,应该在论文提交、同行评议之后才能召开记者会宣布,应该及时公开所有的数据分析资料……

因为BICEP2的乌龙,这个领域的物理学家从此也背负上了韦伯式的原罪。


(待续)



Sunday, June 10, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十五):新世纪的新一代

2000年,天文学家奥斯特里克收到了索恩送来的一箱红葡萄酒:新的世纪没能带来索恩所期望的引力波好消息,他输掉了十九年前的那个赌。当初在国会对投资干涉仪持反对态度的奥斯特里克对正在调试中的干涉仪倒越来越感兴趣,只是还没有服气。索恩这时已经不再乐意打这种有时间限期的赌了。于是奥斯特里克又找了LIGO的另一名科学家打赌:你们在2019年1月1日前还是不会测到引力波。

德瑞福当年的助手、格拉斯哥大学引力波实验室主任休夫在2004年时发现英国一家从事网上博彩的立博(Ladbrokes)公司居然设立了一个引力波的大彩:如果科学家能在2010年以前探测到引力波,赔付率是500比1。好事的休夫觉得机不可失,便投了一注。

正在探测引力波的“内线”科学家下注的消息传开,引来一大批跟风者。立博公司被吓坏了,急忙将赔付率降低到10比1,后来又接着砍到只有6比1。公司发言人后来解释他们曾询问过一些物理学家,百分之八十的人回应是2010年之前不会有可能。休夫却信心满满,觉得可能性已经达到五分之一,甚至对半。


2007年9月22日,汉福德和利文斯顿的数据记录中同时出现了一个微弱的不明信号。通过联网的数据分享,他们发现意大利的Virgo也有着相应的记录。因为那天恰好是秋分,这个信号被命名为“秋分事件”(Equinox Event)。LIGO科学合作组织的科学家们为这个“事件”花了一年多的时间进行细致的数据分析,最终得出结论认为信号太弱,不具统计意义。

三年后,2010年9月16日,又一个信号同时在三个干涉仪中出现。不仅它的强度明显高于噪音,而且其波形与一个黑洞和一个中子星碰撞合并的模拟计算结果相当符合。通过三角定位发现它可能来自大犬星座,因此被称为“大狗事件”(Big Dog Event)。

难道,这就是人们期盼已久的天籁之音吗?

LIGO已有的流程备案立刻被付诸行动。合作组织的科学家们一边对外严格保密,一边各就各位、按部就班地检查数据,逐一排除所有非引力波来源的可能性。即使三个天文台同时发现信号基本上排除了仪器附近的随机影响,还是有很多因素需要排查:那个时刻地球的任何角落发生过地震吗?有没有流星掠过地球或者陨石坠落?数字化后的控制、监测系统使用着大量的计算机程序,会不会软件里出现了“虫子”?

这个繁复的过程延续了半年之久。最后,他们终于确信这是一个真实的信号。于是,又一轮的分工合作展开,集体起草、修改准备向《物理评论快报》(Physical Review Letters)投稿的论文。很快,一切准备就绪。

2011年3月11日,350名科学家、工程师以及其他工作人员济济一堂,聚集在加州理工学院附近的一间会议室里。会场之外还有世界各地电话连线的100多人。他们一起最后一遍审阅定稿的论文,然后投票决定正式投稿。几个人忍不住当场讲话,表达激动的心情。

这时,LIGO主任马克斯(Jay Marx)走上讲台,在众目睽睽下拿出一个他已经独自珍藏了六个多月的信封,当众拆开密封。里面有一个微盘,储存着一个详细的计划书:秘密地在干涉仪系统中人为注入模拟的引力波信号。

与“秋分事件”一样,“大狗事件”其实只是一次演习。

半年多的心血和激情在一瞬间付诸东流的人们既震惊又平静。他们依然打开事先准备好的香槟酒,互相碰杯、祝贺,庆祝了一次“虚假的成功”。

韦斯、索恩、巴里什都是曾经耳闻目睹韦伯那场风波的一代人。他们对韦伯的经历刻骨铭心,内心里觉得干引力波这一行的人都因为他背负着“原罪”,必须异乎寻常地谨慎。在宣布探测到引力波之前,他们只能如履薄冰、战战兢兢地确认信号的真实。因为他们无论如何也经不起再来一次乌龙。

人为地注入假数据(blind injection)的演习是培养这种审慎态度的一个途径。这个计划事先只有主任身边的寥寥几个人知晓,注入过程本身的设计和实施也千方百计地做到滴水不漏。这样,所有的工作人员都被蒙在鼓里,实实在在地经受了一场考验。

马克斯还披露,在“秋分”和“大狗”之外,他们还进行过另外两次注入。结果却都石沉大海,没有被标识为可能的引力波信号。无论是“成功”辨别、处理那两次事件,还是错漏了另外的可能,这都成为LIGO人员宝贵的经验和教训。在那之后,他们又组织了详尽的“复盘”分析,从仪器硬件、软件到数据的采集、识别以及工作人员之间的交流等等每一个环节进行一丝不苟地复查、梳理,从中总结出一整套严格、成文的操作流程,为下一次信号——无论是真的还是假的——的到来做好准备。


马克斯是2006年接任LIGO的主任职务的。2005年,巴里什从加州理工学院的教授位置上退休,同时辞去了LIGO的主任。

经过十一年的努力,巴里什心满意足。他已经完成了挽救LIGO的使命,将她带上了正常运行的轨道。他没有回家养老,而是以“退休教授”(Professor Emeritus)的身份继续从事他喜欢的科研。只是他不再留恋引力波,而是回到他的老本行:美国正在酝酿建造新一代的“国际直线对撞机”(International Linear Collider)。他抓住机会,领衔主持总体设计。与众多的大科学项目类似,这个对撞机现在依然陷在预算的泥潭中。

巴里什离去后,惠特科姆担任了一年的LIGO代理主任,然后由马克斯接手。

当世界进入新世纪时,韦伯“发现”引力波已经过去了三十年。费曼已于1988年去世;他的导师、长寿的惠勒在2008年告别人世。当年被韦伯激发出捕捉引力波热情的那一代人,也陆续走完了他们的学术旅途。

2001年,70岁的韦斯成为“退休教授”。他没有离开心爱的干涉仪,反而把大部分时间花费在汉福德或利文斯顿。他最喜欢的是独自一个人沿着干涉仪的4千米长臂来回行走、巡查。他随身带着工具,像机修工那样不时敲打不锈钢的外壳,倾听着回音。也许在他的想象中,这些回音里隐藏着微妙的引力波旋律。但更多的是,他会在手电筒的灯柱下发现破碎的玻璃、成灾的鼠群以及各种毒虫。它们的尿液腐蚀着不锈钢,留下刺眼的锈斑。LIGO的年轻人都不得不承认,没有人比韦斯走过更长的路,没有人能比他更熟悉干涉仪中每一寸肌肤、每一个角落。
老年的韦斯终于找到了通往黑洞的途径。

及至2008年,韦斯有一次到加州理工学院开会时突然意识到已经很久没见到过德瑞福了。询问之下,当地同事也没有人知道他的情况。

德瑞福被从LIGO项目扫地出门后曾经向学校的学术委员会申诉,试图找个说法,挽回位置,但没有成功。他在加州理工学院有终身教授职位,不会轻易被解雇。学校另外给他提供了科研资金,他也没什么兴趣,明白自己无论再干什么都不可能与这个项目相比。即使在沃格特被解雇、大部分与德瑞福有过节的人离开了之后,惠特科姆依然不允许德瑞福直接参与LIGO。他只能通过公开的学术研讨会关注其进展。

还是巴里什上任后取消了针对德瑞福的“禁令”,鼓励他重新归队。德瑞福成为LIGO科学合作组织一员,也经常出现在各种会议上。只是此时他像是换了一个人,自己静静地旁听,不再参与,更遑论惹是生非。这样,没人注意到后来他就没有再现过身了。

韦斯自己寻找到德瑞福在校园里租住的小公寓,发现里面一片狼藉,堆满了书籍资料和衣物,基本上没有家具。几句交谈后,韦斯意识到德瑞福表现出明显的老年健忘症。

德瑞福在1980年代离开苏格兰故乡,只身来到美国加州。他心目中只有引力波事业,二十多年只生活在实验室,没有交过朋友,更没有结婚,一直是孤身一人。自从被他心爱的事业抛弃后,他的个人生活更是每况愈下,以至于无力自理竟也不为人知。

无奈,加州理工学院的一位教授设法联系上德瑞福老家的哥哥,然后陪同德瑞福从洛杉矶飞到纽约,直到把他送上回格拉斯哥的飞机。


沃格特被迫离开LIGO之后也进入了退休年华。他对加州理工学院、对美国这个他自己选择的国度的爱丝毫没有因为这段经历而减弱。他离开科研领域,干起了独立咨询,为美国政府提供国家安全、核裁军等专业服务。即使是在85岁的高龄,他依然深入阿富汗前线,并曾遭遇伏击受伤。他乐此不疲,虽然他的工作属于保密范畴,不为外人所知悉。

索恩是在2009年退休的。他选择的却是一个不同凡响的退休生涯。

早在1984年,康奈尔大学天文学家、著名科普作家萨根(Carl Sagan)在创作科幻小说《超时空接触》(Contact)时,对自己设计的女主人公堕入黑洞而穿越超空间的情节没有把握。他找到好友索恩,请这位引力大师为他把关。

索恩当即否定了通过黑洞穿越的可能性。他受到故事情节的启发,意识到广义相对论中有“虫洞”(wormhole)——早在1930年代,爱因斯坦和罗森便发表了这方面的第一篇论文,当时被称为“爱因斯坦—罗森桥”——可以借之穿越时空。还在与家人一起度假的时候,索恩便推导出虫洞旅行的数学方程。于是,萨根修改后的科幻有了更扎实的科学后盾。索恩也得以发表一系列学术论文,重新点燃了学术界对虫洞的兴趣。

这一番合作令索恩重温自己幼小时沉迷于阿西莫夫等人的科普书的美好时光。他开始自己创作科普作品,于1994年发表了《黑洞与时间扭曲》(Black Holes and Time Warps)。退休以后,他便专注于写书,还有……拍电影。

当初萨根还顺带给离婚不久的索恩介绍了《纽约时报》编辑奥斯特(Lynda Obst)。他俩约会了几次,没能擦出爱情火花,倒真的成了多年的好朋友。奥斯特参与了《超时空接触》改编成电影的过程,后来摇身一变,成为好莱坞电影制片人。十多年后,她又找到索恩,希望合作一部虫洞旅行的新电影。两人花了几个月的时间写出故事梗概,然后由诺兰兄弟(Jonathan Nolan、Christopher Nolan)分别编剧、导演,最终成为2014年的大片《星际穿越》(Interstellar)。

《星际穿越》不仅获得票房上的巨大成功,还成为科学、娱乐界携手合作绝无仅有的奇葩:索恩担任影片的执行制片人,还负责科学背景。他自始至终坚持电影中的科学成分必须真实、准确,不得随意“艺术发挥”。大导演诺兰想增加一个超光速旅行的情节,索恩坚决反对。争执了两个星期后,诺兰不得不放弃。
索恩在准备拍摄《星际穿越》一个场景中写满数学公式的黑板,旁边是影片中的演员查斯坦(Jessica Chastain)。

电影里所有高科技效果都来自根据索恩提供的数学方程用超级计算机产生的模拟图像,这与LIGO项目中模拟不同星体的碰撞研究其实没有多大区别。的确,电影发行后,索恩又与负责特技的几位艺术家合作了两篇如何将黑洞、虫洞等抽象概念视觉化的论文,分别发表在同行评议的正式学术期刊上。索恩自己也出版了科普新作《星际穿越中的科学》(The Science of Interstellar)。

正牌物理教授成为好莱坞电影制片人;好莱坞艺人在物理期刊上发表学术论文。如此壮举,的确是前无古人,不知道会不会后无来者。


2011年,初级版的iLIGO完成了历史使命,关机下线。在之前的十来年里,工作人员理清了各种环境噪音的来源、特征和影响,摸索出了一整套调试、操作仪器和处理数据的程序。虽然没有能见证到真正的引力波,他们在不知情的演习过程中的表现得到了一致的好评。

新一代干涉仪——aLIGO——这时也已经在实验室中“孵化”完毕。崭新的激光器、匪夷所思的四级悬摆“主动隔离”系统已经来到,跃跃欲试地准备大显身手。随着仪器的更新换代,马克斯也离任了,将LIGO主任职位传给刚刚50岁的赖茨(David Reitze)。

与大型高能粒子加速器类似,激光干涉仪的日常运作没有什么物理、科学内容,而“只是工程”,包括冗繁、细致的仪器调试,没日没夜的监控、记录,无休无止的数据分析、软件修改……从事这些工作的是新一代的年轻人。他们大多是博士后或研究生,来这里只是工作两三年,或者完成学位论文,或者另谋高就。LIGO是铁打的营盘流水的兵。

他们来自世界各地,操着各式各样的口音。他们大多是70后、80后甚至90后,最多只是听说过韦伯——那个悲剧故事对他们来说只是遥远的历史。这些年青人兢兢业业、一丝不苟。他们没有韦斯们那种“原罪”的精神负担,但承继了他们严格、精准的科学态度和程序化管理。他们阳光向上,乐观地期待着引力波在他们的眼前出现。

LIGO的这场脱胎换骨需要四五年时间。意大利的Virgo也选择与LIGO同步升级。因为他们在臂长上自愧不如,便在悬镜系统上下了更大的功夫,以求接近后者的灵敏度。

在这寂静的四五年里,地球上的三大干涉仪都下了线,只有小字号的GEO600还在孤独地聆听着遥远的太空。谁也没有、也不会指望GEO600可能独自探测到引力波信号。但作为科学前沿的探索者,LIGO的人们也时不时会不由自主地心有戚戚:在这漫长的等待中,会不会从哪里突然冒出什么人来抢占他们的风头?


(待续)



Sunday, June 3, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十四):超越国界的大协作

华盛顿是美国西北角的一个州,经常会被人与东部的首都华盛顿特区搞混。与西海岸的其它州相似,这里的居民只聚集于沿太平洋海岸的一些城镇里。如果离开海岸线向东走,很快就会进入人烟稀疏的山区和荒漠。

1942年底,惠勒伴随着一些神秘人物来到荒凉的华盛顿州东南部。经过一番考察,他们选定一个叫做汉福德(Hanford)的小镇,以战争的名义迁走附近一千多散居人口,设立了美国第二个核燃料生产基地。惠勒更是把他全家都搬到这里生活了一年多,设计、建造了世界上第一个大型钚(plutonium)工厂。1945年8月,人类第一颗原子弹成功试爆。它和稍后在日本长崎爆炸的“胖子”(Fat Man)使用的都是这里生产的钚,大大地加速了第二次世界大战的结束。

1960年代末,汉福德的反应堆完成了它的历史使命,一个个停产关闭。当地的设施转换为能源部所属的国家实验室之一,主要任务却是治理几十年的核燃料生产给当地自然环境所造成的严重辐射污染。

二十来年后,一批下一代的物理学家再度造访这个荒漠,选定汉福德为建造干涉仪的两个地点之一。
1993年,德瑞福在汉福德附近的沙漠中一锹定音,选定建造干涉仪的地点。

除了地广人稀、土地已经为政府所有,可以避免购并、拆迁等麻烦手续以外,汉福德还具备一个显著的优势:虽然地处西海岸,这里的地质、地理、天气都比较“安静”,不像其它太平洋沿岸经常有大大小小的地震、大风、雷雨,会给灵敏的干涉仪带来不必要的干扰。

西部的地点选好后,还需要一个与之相对的地点,这样只有在两个干涉仪同时测到信号时才能作为是引力波的可能,撇除其中一个地方偶然、随机的环境信号干扰。LIGO开始选择的是与汉福德纬度相近的东北部的缅因州,后来却因为“种种原因”临时改成了东南部的路易斯安娜州的小镇利文斯顿(Livingston)附近,让当时正在积极游说缅因参议员的沃格特很是被动。

对利文斯顿这个选址很不满意的还有韦斯,他的缘由是出于科学而不是政治。利文斯顿几乎就是后来在2005年遭受飓风灭顶之灾的新奥尔良市的郊区,邻近墨西哥海湾,一年中有一半时间可能有飓风光临。更有甚者,美国的第二大输油管道正从干涉仪所在的地下穿过,也是令人头疼的干扰源。(相比之下,汉福德那边就只有核辐射会令人不快,而干涉仪不在乎辐射。)

除了同样的地广人稀,利文斯顿的地理环境几乎完全是汉福德的反面。这里是美国东南部特有的沼泽森林地带。海拔只有区区十米。建筑干涉仪时挖掘的沟道很快便灌满了水,繁殖起大量来路不明的鲈鱼,以及冲它们而来的鳄鱼。

LIGO在两个不同地点建造干涉仪与早年韦伯将他的韦伯棒置放在两个不同地点是出于同样的考量。但作为大科学的LIGO与韦伯的单打独斗自然不能同日而语。汉福德和利文斯顿几乎处于美国版图的对角线上,分隔很远。它们之间直线距离超过3千公里,以光速传播的引力波如果从一个站直接传到另一个站也需要10毫秒的时间。因此,如果两个站接收的信号不是严格的同时,就可以通过其时间先后和差值估算出引力波来源的大致方位。
汉福德(左)和利文斯顿(右)两个地点的干涉仪和它们在美国地图上的位置(中)。从照片中可以看出两个干涉仪所处的地貌之不同。


在美国人为了他们的干涉仪焦头烂额、屡败屡战的那十来年里,欧洲人也没有完全闲着。

德国普朗克研究所的比令在韦伯棒和干涉仪上浸淫几十年后已经在1989年退休了。他的学生、同事继续着他开始的事业,与德瑞福留在格拉斯哥大学的实验室合作成立了一个名叫“德国英国天文台”(German-English Observatory)的项目。他们本来策划了相当于一亿欧元的预算大干一场,结果成功在望时却因为“天不时”而功亏一篑:1989年11月9日,柏林墙在东欧的剧变中“倒塌”,二战之后分离了将近半个世纪的东西德国终于统一。在举国欢腾中,原来西德政府的大量科研资金与其它政府预算一样被转向资助东德兄弟,许多项目被撤销。GEO便成为牺牲品之一,只是他们的不幸同时却是他们国家民族乃至欧洲之大幸。

及至1993年,他们终于得到私立大众汽车基金会的资助,在德国汉诺威市附近修建干涉仪。只是,他们获得的微薄资金只能建造一个臂长600米的小家伙——与比令当年在实验室里建造的相比也只大了区区20倍。这个干涉仪因此被昵称为“GEO600”。

意大利的物理学家不甘落后。他们与法国人合作在两国政府取得资助,在著名的“比萨斜塔”附近修建起一个臂长3千米的干涉仪,取名叫做“Virgo”。与LIGO和GEO不同,这个名字不是什么缩写,而是星空图中“处女座”的名字。处女座实际上是由1500来个星系组成,距离我们大概5千万光年,相对来说还不算太远。Virgo的设计者希望他们的灵敏度足以探测到那些星系里的双中子星合并所发出的引力波信号。

1950年代,西欧十二个国家从战后的残骸中崛起,联合建立了欧洲核子中心与美国的加速器、对撞机竞争、抗衡,也同时开创了欧洲国家摒弃互相之间的历史纠纷走向统一的新纪元。欧洲核子中心不仅逐渐与美国平起平坐,更因为美国这边超级对撞机的取消而获得高能物理实验中几乎独领风骚的地位。除了核子中心,欧洲也有一个与美国航天局对应的欧洲空间局,联合各国开展卫星发射、空间探测等科研活动。

引力波是一个前所未有的全新领域,欧洲尚未建立如同美国科学基金会的庞大、统一的科研资助机构。因此,干涉仪的研制、修建还是个别国家的各自为战和局部合作。(荷兰、波兰、匈牙利、西班牙后来相继加入了法国和意大利的Virgo项目。)无论是GEO600还是Virgo,在规模和灵敏度上都比LIGO逊色不少。它们无法与LIGO分庭抗礼,只能担任辅助角色。


1997年,美国汉福德和利文斯顿两个选址的基础设施建设均已接近尾声,开始进入科学仪器安装、测试阶段。两个地点虽然外表地貌看上去截然相反,两个干涉仪的建筑却无论内外都一丝一毫不差,几乎无可分辨。唯一的区别是里面有几扇门在一个地方是开左边的门而在另一个地方是开右边,令那些两边来回穿梭的工作人员颇为郁闷。

巴里什的眼光这时已经投向更为长远的计划。他知道,一旦干涉仪进入调试、运转状态,会需要大量的专业人力监控、分析、处理这个复杂的大家伙分分秒秒所产生的大量数据。如果探测到可能的信号,更需要大量的复查、核实和检验工作。这些可能不是他自己的团队所能胜任。同时他也认识到,只有开放大范围的数据合作、分享,才可能避免重蹈韦伯时代的覆辙。

于是,他又展开一次机构改革,创建了一个“LIGO科学合作组织”(LIGO Scientific Collaboration),邀请全世界的科研人员自愿加入,协助由加州理工学院、麻省理工学院所共同管理的汉福德、利文斯顿两个干涉仪实验室的工作。巴里什指定韦斯担任合作组织的第一任发言人,其后的发言人则定期由组织的成员选举产生。

2007年,LIGO科学合作组织与Virgo正式签署协议,进入几乎是合并的共同运作模式。两边的科学家不分你我,展开全面的技术合作,实时分析所有数据,共同发表论文、发布新闻。Virgo的加入不仅能够为LIGO的两个干涉仪提供进一步的独立验证,而且还提供了地球上的第三个探测点。如果三个干涉仪探测到同一信号,便可以进行“三点定位”的几何计算,比两个探测点更能准确地确定引力波的来源所在。

时至今日,LIGO科学合作组织已经拥有1200多科学家成员,代表着18个国家、108个科研单位,其中包括中国北京、台北的两个清华大学和香港的中文大学。引力波的探测不再是几个科学家在实验室中的梦想,不再是个别国家的壮举,而成为全球性的事业,全世界科学家共囊的盛举。
参与LIGO科学合作组织的部分大学和科研机构。


除了极少数科学界人员,LIGO的使命并不为外人所知。尤其是在比较封闭、落后的路易斯安娜州,当地人对这个坐落在森林中形状诡异的庞然大物甚是好奇。有人认定这是政府与外星人联络的秘密基地;有人则认为这是一个穿越时间旅行的港口——那两条长臂正是一条通往过去,一条连接未来。

更有甚者,有好事者竟把这些平常没有什么人员活动的建筑当作靶子练习射击。当工作人员赫然发现墙壁上有嵌入的子弹头时才知道其中厉害。联邦调查局介入了调查,也无可奈何,只是建议他们增建更牢固的外墙做保护。巴里什则亲自深入群众,到当地的狩猎俱乐部拜访、座谈、共进午餐,和善地解决了问题。

荒漠、遗弃了的汉福德附近没有多少闲杂人等,却也不尽太平。有一次一位保安人员一时兴起在深夜荒地里飚车,失去控制后撞上了干涉仪长臂的混凝土外壳。他自己多处骨折,侥幸保住了性命。对LIGO来说,更幸运的还是事故的撞击力只造成长臂真空系统的细微泄露,很快得以补救。如果撞得更狠一点,造成大规模的真空损失,那整个干涉仪便要停工很久才能重新恢复、建立其超高标准的真空。

人为的事故只是偶然发生,LIGO的工程师更为专注的是可能存在的环境干扰。

为了精确地掌握各种噪音来源,两个地点的工作人员都花费大量时间精力调查可能的干扰源,在附近的公路、工业和输油用管道等部位安置了大量的灵敏地震仪(seismometer)监测振动,为干涉仪中悬挂反射镜的“主动隔离”系统提供参考数据。这些不同来源的噪音发生在不同的频率段,有着各自特定的频谱“指印”,可以在干涉仪数据中辨识。

汉福德往西大约300千米便是美国的西海岸,太平洋的波浪时刻都在冲刷着岸边的沙滩和礁石。利文斯顿距离墨西哥海湾更是不到那一半的距离。即使在风平浪静的日子里,海浪有规律地拍击也是干涉仪可以清楚地探测到的环境噪音之一。

在几乎所有的环境噪音干扰源都核查清楚后,利文斯顿的人们遇到了麻烦。他们发现有一个经常发生、颇有规律的噪音无法辨认出来源。他们投入了整整一个夏天,依然是令人沮丧地莫名其妙。终于,在一个宁静的临晨,韦斯在驾车上班的路上无意中瞥见森林里有人在砍伐树木。他灵机一动,立刻登上楼顶的高处观望,同时与在监听噪音的工作人员电话联系。果然,每次他看到一颗树倒地,工作人员便同时观察到那个不明噪音的信号——他们的干涉仪已经灵敏到足以回答那个亘古难题:“假如一棵树在森林中倒下……”

为了杜绝这一干扰,巴里什曾试图买下干涉仪周围更大范围的地盘。但拥有这片森林的林业公司乘机抬起高价,超出了政府科研预算所能承担的标准。于是,工人伐木便也成为干涉仪悬挂系统需要对付的常规噪音之一。
LIGO对环境噪音实时监控截图。左上是邻近海浪拍岸的“水声”,右上是人类砍伐树木的动静(中间的空白部分便是工人午饭、休息的间隙)。

2001年5月,初级的iLIGO终于进入试运行。经过几年的辛勤调试,其灵敏度从10-19逐渐改进到10-21,达到了预先设计的目标。这一成功不仅令科研人员欢欣鼓舞,也最后不再有疑义地赢得了国家科学基金会的信任。2008年,基金会顺利地批准了下一步建造升级版的aLIGO的后续资助。

在aLIGO能够到来之前,iLIGO保持运转状态,凝听着宇宙的静谧。在这个灵敏度上有没有可能撞上大运,正好收听到引力波的轻弦一拨?所有人都在翘首以待着。


(待续)



Sunday, May 27, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十三):挑战前所未有的灵敏度

在十来年的内斗中一直是旁观者的布拉金斯基觉得韦斯、索恩、德瑞福从一开始就犯了一个致命的战略错误:他们都以为激光干涉仪是一个整体,必须齐心协力地研制。在他看来干涉仪实际上有两个可以分开的部分:一个是挂好反射镜,让它既能随引力波荡动又不受周围环境的影响;另一个则是设计出激光测量系统,能够灵敏地察觉到反射镜的动静。

其实,这就是费曼当年在他所谓的“粘珠论”中指出的,测量引力波需要两个既联袂又分离的东西:“珠子”(反射镜)和“棍子”(激光测量系统)。

如果三驾马车当时有这个眼光——如果德瑞福不是那么坚持独揽全局——麻省理工学院与加州理工学院两个团队完全可以一个做珠子一个做棍子。这样的各自为战反而有可能避免因为个人性格冲突所带来的那一系列近乎你死我活的矛盾。


与沃格特不同,巴里什不是单枪匹马来到LIGO。他知道现有的团队存在着太多的人事纠缠,需要改换一个面貌。上任伊始,他便把多年的好友、超级对撞机项目上的合作伙伴桑德斯(Gary Sanders)请来做副手。两人抓住超级对撞机被撤销的契机,招聘了一批突然失去项目被闲置的人才。他们里面既有各方面的技术骨干,更多的倒是具备大科学工程管理经验的能手。他们不只是来增援的大军,更像是来接管的后续部队。

他们发现很多依然停留在大学实验室小作坊模式、缺乏应有合作的习惯。重要的控制电路设计还是以传统的模拟电路(analog circuit)为主,没有采用更先进的数字化电路。更离谱的是,这些模拟电路的设计、调试常常只由一两个深谙此道的老手负责,旁人无从染指。经历过德瑞福、沃格特的两次大折腾,他们中一些人有如惊弓之鸟,为了自保居然会把技术资料牢牢地锁在文件柜里,密不示人。

巴里什为人随和,不会像沃格特那样经常粗暴发火。但作为负责人他知道制定规范、统一标准的重要性。他立即杜绝了个人保密、私营的做法,建立起所有的技术设计都必须在项目内公开讨论、评议,形成文字记录的制度。同时,电路设计也全面开始了从模拟到数字化的升级。

干涉仪中作为棍子的那一半最关键的是激光器。巴里什注意到他们用的还是1980年代最先进的氩离子(argon ion)气体激光,却没再能跟上时代的步伐。1990年代以来,功率更高、频率更稳定的固体激光器已经异军突起,取代了气体激光的地位。然而,更换激光光源对于整个干涉仪来说是一个犹如脱胎换骨的大手术。固体(Nd:YAG)激光器的光波长在近红外波段,不是原来用的可见光。因此,所有与光束接触的镜面、仪器表面的镀膜都需要重新设计、更换和调试。这个过程中整个干涉仪必须下线、停工大半年。持续处于预算拨款岌岌而危之压力下的沃格特一直没敢冒这个风险,于是激光器的更新便永久性地停滞不前。

新官上任的巴里什几乎立即就下了这个决心。

从可见光转向红外光也给干涉仪复杂的光路调试增加了不小的难度,因为不再能直接用肉眼观察光束的走向。巴里什带来的新团队正好大显身手。他们在加速器试验中早已习惯于对付看不见摸不着的基本粒子流束,精于设计、安置探测器追踪不可见的激光走向。

一时间,LIGO焕然一新,显示出勃勃生机。

自然,不是所有人都能接受、适应这场大刀阔斧的变革。原来追随德瑞福、沃格特的那些年轻人眼看着自己的宝贝被“外人”侵占、接手很是不满。他们一个接一个地选择了离开、另谋他就。从一开始就投入这个事业的“元老”级职员陆续流失了近乎一半。

被废黜的沃格特却依然对项目恋恋不舍,他希望能继续参与。巴里什同意了,让他独自负责一个小组。不过很快巴里什就后悔了这个决定,因为沃格特显然不是一个能在他人手下打工的角色。不久,沃格特也知趣地退出了。

但沃格特过去的学生、与他私人关系最为紧密的惠特科姆选择了留下,成为项目中承前启后不可或缺的桥梁。惠特科姆为人低调、忠厚,几乎能与所有人融洽相处。在巴里什的团队里,他依然如鱼得水,很快成为对干涉仪技术掌握得最全面的大拿。


干涉仪中作为激光测量系统的激光器、分光镜、探测仪等等装置都是费曼的棍子。它们需要异常稳定,不受周围环境以及引力波的影响。因此,所有的仪器都被固定在防震装置上,可以做到“纹丝不动”。

为了避免空气分子对激光的散射干扰,激光光束走过的干涉仪4千米长臂是封闭的不锈钢管道。它们有1.2米宽,里面用强大的抽气机抽成真空,压强达到地球大气压的一万亿分之一。这两条长臂因此成为地球上最大体积的极高真空,甚至比地球大气层之外的太空还更“空”几倍(因为有宇宙射线和其它粒子的存在,太空并不是完全的真空)。

如果说这些都还不难做到的话,干涉仪的另一半——作为“粘珠”的反射镜如何悬挂则是最为严峻的挑战。

费曼那时候说得很简单:珠子和棍子之间可以“自由运动”,或者“稍微有点摩擦阻力”,便可以通过它们之间的相对运动和摩擦生热知道引力波带来了能量。他之所以能够如此轻松潇洒,是因为他是理论物理学家:他只需要嘴皮功夫的“假想实验”,不用去纠结背后的实际困难。

钓鱼的人把装上诱饵的鱼钩沉入水下时,他们看不见鱼儿的动静。于是他们在鱼线上拴上一个浮漂露在水面,在鱼线被拉扯时会抖动,告知渔翁有鱼咬钩了。费曼的珠子就如同这样一个浮漂,用来标识引力波的到来。

在鱼咬钩之前,水面风平浪静,浮漂随波荡漾,没有什么动静。鱼咬钩是一个剧烈的动作,非常容易辨别。费曼的珠子却恰恰相反。

无论有没有引力波,地球上的“珠子”都时刻会随着大到地震、小到附近有汽车来往、大风从坡上吹过等随机事件在“抖动”着。而引力波来到时,它的效果却微不足道,只是10-22量级上的小微扰。这如同是在大鱼与鱼线激烈拼搏时观看浮漂的运动,试图从中辨识出平静水面的细微荡漾——还要再难上千亿倍。

当年韦伯正是因为没能完整地辨识、剔除环境影响才误报了对引力波的成功探测,因此陷入职业困境,近乎身败名裂。

韦斯、德瑞福、布拉金斯基等人是实验物理学家,他们不能像费曼那样大言不惭,而必须把假想变成现实。为了不重蹈韦伯的覆辙,他们就只能面对这个实际的挑战:如何设计好棍子与珠子之间既分离又耦合的关系,使得他们既能隔绝环境影响又能灵敏地感触到引力波那10-22的微颤?


在各国的同行们都放弃了韦伯棒转向干涉仪之后,布拉金斯基在莫斯科大学还一直倾力于他自己设计的改进版韦伯棒。直到1980年代后期,他在访问加州理工学院时亲眼看到德瑞福在40米干涉仪上已经达到的灵敏度时才领悟到韦伯棒已经不再有竞争的资格。他回到莫斯科后就不由分说地宣布改弦更张,放弃韦伯棒而转为利用他们的经验协助索恩仔细检查、梳理干涉仪设计的诸种细节,发现了好几个当时尚未被察觉的环境影响源。好朋友索恩无比感激,赞誉布拉金斯基为“LIGO的良心”。

1991年,苏联在经历一系列动荡之后终于解体。其国民经济陷入崩溃,庞大的科学研究体系也随之分崩离析。学术界一片风声鹤唳,从一流的大师到博士后、研究生均树倒猢狲散,各显神通到西方自谋出路。索恩说服沃格特动用加州理工学院的资金为布拉金斯基实验室提供了一年的紧急援助,然后安排由美国私人的索罗斯(George Soros)基金会接单,保证了这个团队没有溃散,成为LIGO在美国境外的成员。

对精密测量浸淫极深的布拉金斯基便领衔负责悬挂镜子。

在韦斯之前,两个苏联人以及韦伯和他的博士后伏华德都曾提出过用激光干涉仪探测引力波的想法,伏华德还制作过一个样机。但韦斯是第一个提出用悬挂起来的镜子——作为费曼的粘珠——来显示引力波。他的想法是基于悬摆的特性。

用一根细绳拴上一个重物吊着,就是一个悬摆。如果提着绳子的手慢慢地横向移动,重物会随着手平移。但是如果手是很快地左右晃动,下面的重物却只会轻微地抖动,并不完全跟随手的动作。这样悬摆就隔离了重物与手之间的运动。把干涉仪的镜子悬挂起来,镜子(珠子)与悬挂的支架(棍子)便有了分离。

初期的干涉仪(iLIGO)便是这样一个简单的悬挂装置。那个镜子重11千克,用金属丝直接吊起。
韦斯在演示激光干涉仪中挂反射镜的悬摆原理。

悬摆的隔离效果与重物的重量有密切关系。下面挂的东西越重效果越好。而如果在已经悬吊着的重物之下再吊上另一个重物,则会有更明显的效果:如果中间的重物还会因手的动作而抖动的话,最下面的重物几乎毫无反应。

增强版干涉仪(aLIGO)在这些方面做了大幅度的改进:镜子变大了许多:直径34厘米,厚20厘米,重达40千克。除了增加稳定性之外,镜子——在干涉仪中也被称作实验质量(test mass)——越重,自身的惯性也越强,在激光照射下因为光子的动量而被推动的影响也越小。

新的镜子更是用多达四层的悬摆装置逐层悬挂,最底下直接吊着这个镜子的悬摆用的是直径只有0.4毫米的熔融石英(fused silica)丝。这是所能找到的最纤细而又能够承重的“细绳”。
iLIGO(左上小图)和aLIGO(大图)悬挂镜子方式的比较。

四级悬摆的结构不仅大大增强了对镜子与支架之间的运动耦合的隔绝,还提供了人为控制镜子位置的可能。这些悬架中植入了一些非常灵敏的控制设备,可以“反制”悬架本身的运动。无论是因为环境影响还是引力波,镜子的移动立即会被激光干涉信号探知。这个信号反馈进入控制电路,启动相应的电机,“第一时间”抵消干扰而保持镜子的位置不动。

这个利用负反馈保持镜子恒定的“主动隔离”(active isolation)与我们日常能用到的消噪耳机是同一个原理。这样,镜子可以始终“锁定”(lock)在同一个位置,正好满足德瑞福设计的法布里—珀罗谐振腔的要求:光源和镜子之间的距离保持恒定,也就是保持其中的激光处于谐振状态。而镜子的位置锁定后,它的“运动”可以通过记录反馈、控制电路中的电流而得知。

aLIGO的反射镜本身也是一整块非常纯的熔融石英。与金属或其它材料相比,这种玻璃的自身分子活性非常低,基本上没有热运动。无论是作为镜子还是细绳,都不会自己产生扰动、变形。
两个熔融石英制作的LIGO反射镜。

反射镜的表面涂有十几层专门为固体激光器的红外激光设计的薄膜。涂膜后的镜子表面光滑到纳米级,能够把到来的激光几乎全部反射回去。其实在这里,“几乎全部”是远远不够的。LIGO的反射镜达到的标准是每3百30万个光子中,只有一个光子会被镜子吸收,其余全被反射。
LIGO工作人员在检查涂膜后的反射镜镜面。

那么,那3百30万分之一的“幸运”光子被吸收是不是就可以被忽略了呢?非也。在10-22的精度要求下,再细微的瑕疵也一个不能放过。反射镜吸收了光子的能量会造成表面的细微变形。于是,除了主激光之外,还专门设计了另外的二氧化碳激光以精确调制的光束同时照射反射镜其它部位,以保证反射镜受力、受热的均衡,不带来意外的惊讶。

类似的例子还有很多很多。真实落成的激光干涉仪虽然在架构上仍然与韦斯当年的设计草图基本一致,其实际的光路、控制电路等等却是远远复杂得多。这是一个集当代最新、最高级的精细技术之大成的杰作。

为了实现前所未有的灵敏度,LIGO的科学工匠们事无巨细、精益求精,已经是无所不用其极。


(待续)



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)


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