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）

科普

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）

科普

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）

科普