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。

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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。

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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)


科普

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