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

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）


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