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）

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

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）

科普

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

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）

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