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Monday, July 29, 2019

宇宙膨胀背后的故事(十五):宇宙大爆炸的余波

也是在1948年,刚刚从美国海军退伍的马里兰大学年轻教师韦伯(Joseph Weber)找到伽莫夫,自我介绍是微波技术专家,询问是否有合适的课题让他研修一个物理博士学位。伽莫夫不假思索地回答,“没有。”韦伯不得已,后来辗转进入了探测引力波领域(详见《捕捉引力波背后的故事》第三章)。

伽莫夫大概自己都不知道,他那两个弟子阿尔弗、赫尔曼在推算出大爆炸之后的宇宙在今天应该有绝对温度5度左右的背景温度后,那时正在四处寻找微波专家,咨询观测这个大爆炸遗迹的可能性。


二战之后像韦伯那样的无线电——微波是无线电频谱中的一部分——专家其实相当多,有些还是颇为资深的物理学家。战争期间,物理学家在原子弹之外最突出的贡献大概就是在雷达、通信技术上。战后,这些人才回到大学实验室,以各种方式用他们在战争中开发或学会的技术开拓科学研究的疆界。

1950年代初,英国、澳大利亚天文学家注意到他们的无线电天线可以接收到一些来自天外的电波。古尔德和霍伊尔率先意识到这些电波来自银河之外,可能非常遥远。因为用光学天文望远镜看不到发射这些电波的源头,不知道是不是来自恒星、星系,便暂时把它们的来源叫做“类星体”(quasar。这个词是华裔物理学家丘宏义(Hong-Yee Chiu)生造出来的。)

一个类星体的艺术想象图。

后来,帕洛玛山上的桑德奇等人费了九牛二虎之力才在1963年用海尔望远镜看到一个与类星体吻合的光源,并拍摄到光谱。果然,这个光谱红移得更夸张,显示光源速度达每秒四万七千公里。这时已经无法继续用已有的“宇宙距离阶梯”测定其距离,只能通过哈勃定律由速度倒推其距离大约在几亿光年之外,比胡马森看到过的最远星系又远了好多倍。

无线电与可见光一样是电磁波,只是处于不同的频率波段。可见光在宇宙空间旅行时会遭到各种星系、尘埃等的吸收和散射,有相当的损失(这也是哈勃等人根据光强估算距离的主要误差来源)。而无线电信号则不然,它们在宇宙中几乎畅行无阻。因此,即使是来自非常遥远的无线电,也能在地球上接收到。由此诞生了“射电天文学”。

类星体的发现给霍伊尔等人的“稳定态”宇宙带来的一个难题。他们理论的精髓就在于“稳定”:宇宙恒定,不像大爆炸理论那样有个起点,并随之演变。

我们在观察星空、宇宙时,距离的远近同时也就是时间的先后。因为光传播的速度虽然很快,达每秒30万公里,却也不是无限。远处的光(或无线电信号)传到我们这里需要一定的时间。来自几亿光年之外的信号便是经过了几亿年的时间才抵达。也就是说,我们今天看到的类星体,实际上已经是几亿年前的存在。

那些几亿年前的类星体却与我们附近、更“现代”的星系有着明显的不同:类星体在发射着强烈的无线电波,而相应的可见光却微弱;我们已经熟悉的星云、星系恰恰相反。这不符合稳定态模型中宇宙时时、处处一样的描述。更让霍伊尔他们头疼的是,随后的跟踪观测还发现,类星体数目的分布也随距离而变化:越远的地方,类星体越多,密度越高。

大爆炸理论在这里却得心应手。大爆炸之后的宇宙是随时间不断地演化的。几亿、几十亿年前的宇宙与今天的宇宙大相径庭。那时宇宙的温度高,尚未形成今天常见的星系、恒星。类星体大概就是大星系诞生之前或之初的躁动,大量的基本粒子在巨大的黑洞周围高速运动、碰撞,发出强烈的无线电波。因为恒星还没有大量地形成,可见光便相对地微弱。

越远的类星体密度越高更是大爆炸的自然结果:膨胀中的宇宙越早期密度越高,膨胀后密度减低——也就是说膨胀之后“拉开”的空间里并没有像霍伊尔想象的那样出现新的物质填充。

类星体的发现,不仅又一次扩大了人类认知宇宙的视野,再次揭示天外有天,也让大爆炸理论在与稳定态模型的僵持中第一次占了上风。不久,更强劲的证据出现了。


二战之后,普林斯顿大学的狄克(Robert Dicke)教授对广义相对论、宇宙学发生了浓厚的兴趣。每星期总有一天,他和他的学生们会海阔天空地讨论这方面的课题,直到入夜才一起到镇上的小店去喝酒吃披萨。他对大爆炸和稳定态理论都不满意,因为这两个理论中宇宙的物质都属于“无中生有”。他更倾向于弗里德曼描述的“振荡宇宙”:宇宙是不停地在膨胀、坍缩,如此周期往复。这样宇宙中的物质总是存在着,只是密度在变化。

1960年代中期,霍伊尔和同行合作解决了伽莫夫等人没能解决的难题:宇宙初始的基本粒子通过中子俘获过程只能产生最简单的几个原子,到锂原子以上便出现了“断链”,无法持续。霍伊尔等人发展出一套在恒星内部高温、高压条件下产生更重的原子的反应链,解开了宇宙万物来源之谜。但也因此,稍重的原子必须在宇宙膨胀后期、恒星已经大量出现以后才能面世。

狄克因此想到,如果宇宙在来回振荡,这些后期才有的原子在宇宙的坍缩过程中也必须消失,才能在下一轮膨胀中重新产生。而它们之所以消失,只能是因为坍缩的宇宙进入超高温状态,以至于所有原子都被剥裂,还原为质子、中子等基本粒子。

狄克觉得这样一来宇宙的温度是可以推算的。他指导学生皮布尔斯(Jim Peebles)做一下理论计算。皮布尔斯很快得出结论:宇宙从最初的高温膨胀、冷却至今,现在的温度应该在绝对温度10度左右。

那是1964年,阿尔弗和赫尔曼的宇宙温度约为5度的论文已经发表了16年。狄克似乎对他们的工作完全不知情或者完全忘却了。他的振荡宇宙的坍缩过程其实就是爱丁顿、伽莫夫所想象的时间逆转的宇宙“倒带”过程。作为理论模型,二者其实没有区别。

皮布尔斯写好论文投稿后被匿名的审稿人打回,指出他们不应该地忽略了阿尔弗、赫尔曼等人的工作。皮布尔斯按要求修改后依然没能过关。但狄克并不太在意。他已经开始了下一个行动。

与伽莫夫那几个人不同的是,狄克自己就是实打实的微波技术行家。他在1946年发明了一个“狄克辐射计”(Dicke radiometer),是微波天线最常用的接收器。他也是一个实验好手。就在他琢磨宇宙的同时,他还用现代化手段重复了传说中的伽利略比萨斜塔实验,以超高精度证明物体在引力场中的运动与质量无关。

这时他带着另外两个学生很快就在普林斯顿大学地质系(Guyot Hall)楼顶上装置起一个微波天线。准备寻找大爆炸的遗迹。

狄克的两个研究生和他们在普林斯顿为探测宇宙微波背景辐射制作的微波天线。

大爆炸发生在100多亿年之前,也无法在实验室中重复,自然没办法直接观测。阿尔弗、赫尔曼以及狄克、皮布尔斯推导出的宇宙温度却是大爆炸的一个直接后果,或者说“残留”。狄克觉得这应该能够观测到。

宇宙不是一个热平衡的世界。无数的恒星内部在发生强烈的热核反应,表面不断地发光发热。它们的表面温度至少几千度,内部更是达到亿度的量级。(在极高温尺度,绝对温度与摄氏度之间已经没有实质区别。)

然而,从空间、体积来看,恒星在宇宙中只占据微不足道的存在:它们在我们地球人的眼中不过只是“点点星光”。其余的广宇,是一片漆黑死寂,冰冷的世界。

不过,早在20世纪初,天文学家发现星星之间也不是完全的空空如也,而是弥漫着一些不明成分、来源的气体、尘埃,被笼统地称作“星际介质”(interstellar medium)。1940年,加拿大天文学家麦凯拉(Andrew McKellar)还观察到这些介质中居然存在有机分子。他测量到氰(CN)分子自由基(radical)的旋转光谱,推算出其能量分布相当于绝对温度2.4度。如果假设这些介质、分子与其周围环境处于热平衡状态的话,那么也就可以认定这些介质所处的空间的温度大约是2.4度。但是,直到他在1960年去世,麦凯拉的数据没有引起人们注意。

阿尔弗、赫尔曼、狄克、皮布尔斯等人所研究的宇宙温度却不是星星、介质甚至分子些实际物体的温度。在他们的理论模型中,大爆炸伊始的宇宙又热又稠密,充满了光辐射和质子、中子等基本粒子,互相搅成一团。当宇宙终于膨胀、冷却到质子与电子可以结合成稳定的氢原子之后,光子才能在宇宙中畅行无阻——此即所谓宇宙的第一缕光。那时的光子能量(频率)非常高。再经过一百多亿年的膨胀、冷却,光子的波长随着空间被持续拉长,其频率相应地红移变低。到今天,按照他们算出的宇宙温度,那些光子应该主要出于能量很低的无线电波段,也就是微波频段。

这些光子——如果存在的话——直接来自大爆炸开始的那颗蛋,充满了那时候还不很大的宇宙。在今天的宇宙中它们也就同样地会均匀地散布在整个空间而无处不在,成为宇宙恒定的背景。因此,它们被称作“宇宙微波背景”(cosmic microwave background)。

阿尔弗和赫尔曼当初在大学、学术会议上做过一系列讲座,希望能引起微波行家的兴趣,寻找探测这个宇宙大爆炸的遗迹,但无人响应。人们或者不相信这个天方夜谭,或者觉得这样的微波信号即使存在,也会太微弱,没有希望测出。

最令他们丧气的是,连他们的导师、向来喜好“异端邪说”的伽莫夫也没有买他们的账。两人后来相继找到不同的新工作,各奔前程,没有再继续这个课题。伽莫夫更是在学术上移情别恋,与刚发现脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构的沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick)还有费曼(Richard Feynman)等人一起搭伙去试图破解生命遗传编码的秘密。在那之后十来年里,大爆炸理论陷入低迷。阿尔弗和赫尔曼所提出微波背景被人遗忘,直到被狄克、皮布尔斯重新“发现”。

就在狄克和他的学生们一切准备就绪、只待开机探测时,狄克接到一个意外的电话。


1957年10月4日,苏联成功发射人类第一颗人造卫星。次年,美国仓促成立航空航天局(NASA),应对新时代的挑战。航天局试图发掘卫星的实用价值,他们最早的尝试之一是发射一个简陋的球体,进入轨道后内部爆炸充气,成为大气层外的一个大气球。这气球的表面上涂有一层铝金属,可以反射电磁波。这样,他们从西海岸的加州发射微波信号,由卫星反射回地球表面,被东海岸贝尔实验室的天线接收,成功地实现横跨北美大陆的太空微波通讯。

这个气球卫星只是被动地反射电磁波,能回到地球表面的信号非常微弱。贝尔实验室为此专门制作了一个大型微波天线。接收微波的天线与日常熟悉的卫星天线不同,不是抛物面的圆盘,而是像早期的方形高音喇叭。这个天线长15米,喇叭口6米见方,以它所在的镇命名叫做“霍姆德尔喇叭天线”(Holmdel Horn Antenna)。天线内部探测微波信号的正是一个狄克辐射计。

航天局的这个项目没有太长的寿命。1962年,美国发射了第一颗正式的通讯卫星(Telstar),上面携带电子设备,可以将接收的信号放大后再播放,大大提高了使用效率。地面上也不再需要特制的大天线就可以接收到卫星信号。

于是,霍姆德尔这个天线沦为闲置。两个刚刚博士毕业来到贝尔实验室的天文学家彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)看中了这个难得的高灵敏度、低噪音家伙,觉得可以用它来普查银河系的微波分布。于是他们着手天线的校准,逐个剔除可能的误差和环境噪音。

彭齐亚斯(右)和威尔逊在他们使用的贝尔实验室“霍姆德尔喇叭天线”前。

在排除了所有可辨认的噪音后,他们被一个奇怪而顽固的噪音所困扰。这个噪音无论白天黑夜都一样地存在。他们把天线对准邻近繁华的纽约市,然后转到反方向做比较,居然没有差别;他们又耐心地跟踪测量了几个月,让地球绕着太阳公转,也没有发现该噪音有任何季节性的变化。他们仔细检查仪器,发现有几只鸽子在天线里做了窝。于是他们花大功夫,将天线拆开,仔细清洗了多年积累的鸟粪(彭齐亚斯很专业地称之为“白色的电介质物体”)。他们驾车把鸽子送到很远的地方放生,但善于找路回家的鸽子很快又回来了,于是他们不得不拿起鸟枪来解决这个干扰源。然而,天线上测到的信号依然如故:无时不有无处不在。

无奈中,彭齐亚斯在与同行的电话中倾诉了他们这个烦恼。对方想起刚刚听过皮布尔斯的一个讲座,似乎有点关联,建议他与普林斯顿的那拨人联系求助。彭齐亚斯于是给狄克打了电话。狄克放下话筒时脸色死灰,当即告知他的团队:“伙计们,我们被人抢先了。”(“Boys, we've been scooped.”)

贝尔实验室距离普林斯顿不过60来公里。狄克一行驾车前往,共同分析彭齐亚斯和威尔逊的数据。没有太多的悬念,他们很快就确定令这两个倒霉蛋近乎疯狂的噪音便是他们在普林斯顿准备寻找的宇宙微波背景辐射——大爆炸的余波。(威尔逊在加州理工学院攻读博士时曾听过霍伊尔的课,因此对稳定态模型有印象。但他们俩对大爆炸理论均不甚了了,而对阿尔弗、赫尔曼的宇宙温度预测以及近在咫尺的狄克小组研究工作完全一无所知。)

他们实际测量的数据表明今天的宇宙背景温度是绝对温度4.2度,与理论预测相当接近。


1978年,彭齐亚斯和威尔逊因为这个无意的发现获得诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔奖第一次颁发给与天文观测有关的贡献。

当年诺贝尔(Alfred Nobel)设立他那后来举世闻名的奖金时,在科学类上指明了物理、化学和生理医学——他觉得最实用的科目。天文学没有被包括在内。相当长时期内,诺贝尔奖委员会也不认可天文学是物理学的一部分。因此,历史上一些做过突出贡献的天文学家,包括勒梅特、爱丁顿、哈勃等等,都与这个奖项无缘。

因为狄克的决定性协助,彭齐亚斯和威尔逊曾邀请他在他们的论文中作为第三作者。狄克绅士般地谢绝,可能就此失去分享诺贝尔奖的机会。普林斯顿的小组另外撰写了一篇论文,与彭齐亚斯和威尔逊的观测报告同时发表,从理论上阐述那便是宇宙大爆炸留下的遗迹。

在领奖仪式上,彭齐亚斯才得以回顾他恶补的历史,突出介绍了伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼等人的早期贡献。对已经去世的伽莫夫来说,这已经是第三次——也不是最后一次——在诺贝尔奖获奖仪式上收获到感谢。


(待续)



Tuesday, February 6, 2018

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)


科普

Thursday, December 29, 2016

与诺贝尔奖失之交臂的惠勒

2009是物理学家惠勒(John Wheeler)逝世一周年的纪念日,《今日物理》(Physics Today)杂志在2009年4月号发表了几篇回忆文章。惠勒不算是非常出名的物理学家,大家知道他可能出于两个原因,一个是他号称是“黑洞”这个名字的发明人(其实他不是,那是在他的一次讲座中一个听众即兴提出而被他认可的),再一个便是他是众所周知的费曼(Richard Feynman)的导师。



惠勒拿到博士学位时还不到二十二岁。那是1933年的事。与那时几乎所有的年轻物理学家一样,他不久便远走欧洲,拜师于哥本哈根的玻尔(Niels Bohr)门下。在那里他做了好几个很像样的工作,但都被玻尔觉得“只是有意思”而压下没有发表,只有一篇论文侥幸过关面世。惠勒回国后开始了他漫长而硕果累累的教学生涯。但战争也随之而至。

1939年1月,玻尔乘船远赴美国访问,在哥本哈根的码头上,弗里希赶来送行,在他的耳边悄悄地说了几句话。许多天以后,玻尔在纽约的码头上见到了前来迎接的费米和惠勒,便又分别地同他们耳语了几句。人类实现原子核裂变的消息就是这样飘洋过海的。(《今日物理》上另一篇文章说当时玻尔并未透露这个新闻,而是他一个学生擅自传给惠勒的。)在接下来的几个月里,玻尔和惠勒进行了一场著名的合作,奠定了原子核裂变的液滴模型,为后来研制原子弹打下了先期的理论基础。

费曼也就是在这期间成为惠勒在普林斯顿的学生的。惠勒当时着迷于正电子,因为突然醒悟到正电子不过是在时间里倒着跑的电子而激动不已,半夜三更跑到费曼宿舍把他叫起来神侃。若干年后,费曼把这个图像用箭头画出来,成了量子电动力学中不可或缺的费曼图。费曼的毕业论文也是惠勒当时的一个怪想法,把所有的东西都看成粒子,而把场的效应归结成“远程作用” (action at a distance)。即使是在拉斯阿拉莫斯造原子弹的期间,这师徒两人仍然忙里偷闲的发展这一怪异的东西,但没什么结果。又是若干年后,费曼终于看出奥妙,把这个原来是作为经典物理研究的东西套在量子世界,发展出一套叫做“路径积分”(path integral)的对量子物理的一个新表象。

二战打完后,惠勒再度跑到欧洲游学,以巴黎为基地并不时去哥本哈根拜会玻尔。每每作出成果便巴巴地献给玻尔审阅,却又一如既往地被玻尔压下。1949年的秋天,惠勒作出了对原子核非对称形状的解释,寄送玻尔后长达一年未见回音。在这个期间,惠勒收到了一个预印本,他在哥伦比亚大学的同行雨水(James Rainwater)已经作出了同样的理论。又是若干年后的1975年,雨水因这一工作获得诺贝尔奖。玻尔的儿子也在那年分享了这个荣誉。

素有绅士风度的惠勒无怨无悔,从来没有抱怨过玻尔一句,也未曾自我哀怜什么“擦肩而过”的伤感,只是偶尔会提醒自己的学生如果他们作出重要的发现应该立即发表,不要消极等待更多的成果。惠勒也没有太多时间反思——苏联的原子弹爆炸了,他赶回美国投入到老朋友泰勒(Edward Teller)主持的氢弹研究工作。

惠勒是在九十六岁高龄时去世的,他的本子上还留有九十五岁时写下的物理研究笔记。与其他著名物理学家相比,惠勒最突出的是他那些群星灿烂的学生们。《今日物理》做了一个统计,在普林斯顿(Princeton)施教期间,惠勒无论是在培养的研究生学位,其他学生对他的致谢,还是辅导本科生论文的数目上都远远超出了其他任何教授。他曾经说过,大学之所以需要有学生,纯粹是为了教授们能受到教育。

(2009年4月9日)


科普人物

美国的新年,大学橄榄球的节日

十二月十日,川普(Donald Trump)在组阁、谈判的百忙之中抽空来到巴尔的摩(Baltimore)市的球场,现场观看美国陆军学院(Military Academy)——也就是大名鼎鼎的西点(West Point)军校——和海军学院(Naval Academy)之间的橄榄球比赛。美国总统是五军总司令,经常会莅临这场球赛,与下一代的官兵同乐。川普尚未上任,是迄今为止第一个以候任总统身份出现在赛场的。川普自己年轻时是军校毕业,一直宣称对军人极为尊重,这次等不及上任便来鼓舞士气。

在这位未来统帅的关注下,陆军以21:17的比分战胜海军,结束了后者长达14年的赢球记录。赛后陆军官兵从看台上冲进球场,庆祝这一难得的胜利。

陆海军校大战是传统的压轴戏。随着这场球赛的结束,美国大学橄榄球三个多月的赛季暂时性落下帷幕。十二月份,球员和他们的球迷们都需要收一收心,回到课堂专心应付期末考试。但等不到圣诞节的来临,此起彼伏的季后杯赛(其实是“碗赛”)又会再度兴起,一直到新年之后,让大学生、校友球迷们再最后地疯狂一次。

美国的元旦,便是大学橄榄球的盛大节日。


美国的橄榄球运动历史悠久,最初便是在大学里起源的。1869年11月6日,新泽西(New Jersey)州的罗格斯大学(Rutgers)和邻近的普林斯顿大学(Princeton)举行了第一场校际橄榄球赛。那时的球以及玩法与现在所看到的不可同日而语,基本上是沿袭当时欧洲的类似游戏加上自己临时凑出来的一些土规则。东北部的耶鲁(Yale)、哈佛(Harvard)等老牌院校很快加入战团,一边更新规则一边切磋技艺,一项独特、崭新的体育竞技开始在美洲大陆成长起来。



由于旅行、经费等条件的限制,早期的球赛只是在比较邻近的学校之间举行,很少能出远门征战。二十世纪初,西海岸的洛杉矶(Los Angeles)市每年元旦玫瑰游行(Rose Parade)的组织者急需用钱,动起了举行一场跨区橄榄球赛的念头。他们出资邀请斯坦福(Stanford)大学代表西部、密歇根(Michigan)大学代表东部,在1902年元旦那天在洛杉矶市赛上一场,既是热闹又能卖门票筹款。

不料想那时密歇根大学校队正如日中天,打遍东部无对手。他们雄赳赳气昂昂地杀到西海岸,没两下就以49:0领先。实在招架不住的斯坦福在下半场便缴械投降,比赛没结束就弃权了。

西部人花了14年才缓过劲来,在1916年元旦举行了第二场“东西大战”,这次西部的华盛顿州立(Washington State)大学打败了远道而来的布朗(Brown)大学。此后,该项比赛每年元旦时举行,由玫瑰游行的组织者出钱邀请不同的队伍参赛。1923年,大型球场“玫瑰碗”(Rose Bowl)在洛杉矶落成(因为室外球场的形状像一只碗,美国的球场通常都被命名为“某某碗”),作为这项比赛的固定场地。该比赛本身也被称为玫瑰碗。


也是在1905-1910年间,美国大学橄榄球通过实战摸索,不再拘泥于欧洲橄榄球的原始套路而根本性地改变了进攻和防守的阵型,尤其是允许向前传球,打起来焕然一新。经过这场脱胎换骨,美式橄榄球很快在全国范围普及。尤其在传统的南方,更是为之疯狂,成为那里宗教的一部分——“星期天上教堂,星期六去球场。“(传统上,大学橄榄球赛全是在星期六举行。)

1930年代以后,南方的一些城市也效仿玫瑰碗办起了他们自己的新年比赛,比如迈阿密(Miami)市的“桔子碗”(Orange Bowl)、新奥尔良(New Orlens)市的“糖碗”(Suger Bowl)、德克萨斯(Texas)州的“太阳碗”(Sun Bowl)和“棉花碗”(Cotton Bowl)等等。每年赛季结束,这些“碗”的组织者便四处邀请球队在元旦那天决战。

电视转播在1950年代的出现更把橄榄球推向新的高潮。元旦从早到晚,一个又一个的碗赛在电视上连续播放,是橄榄球迷的最大节日。(如果像今年,元旦正好是星期天,这些碗赛会推迟到一月二日举行。把星期天让给职业队比赛。)

及至今天,美国已经有400多所大学拥有橄榄球队(橄榄球只有男子队,女子不参加这个“野蛮”的运动)。他们按照实力分为三个不同级别,水平最高的一级(Division 1 FBS)也有128所学校。而季后赛的“碗”也多达40多个。因为电视转播的需要,这么多碗赛无法全挤在元旦那天举行,便分布在圣诞节和元旦之后那两三个星期里,几乎天天有比赛。整个新年前后,都是大学橄榄球赛的盛会。


现代的大学橄榄球已经成为财大气粗的体育项目。球队包机长距离奔袭找合适的对手比赛轻而易举,不再受地理区域的限制。但这么多球队,如何决定孰强孰弱、谁是最后的冠军,却一直是个大难题。

橄榄球比赛规模庞大、时间长,对体能要求很强。这点与足球类似,赛完一场后大致需要一个星期的恢复时间。因此,三个多月的赛季每个队也就只能打十二、三场比赛,所能遇到的对手数量很有限。今天,基本上每个球队都属于某个根据地理区域组成的校际联盟。每个赛季联盟会安排每个学校在自己内部打8场左右的比赛,决出联盟冠军。其它时间由学校自行安排,在联盟外找对手。这样可以增加联盟之间的交流,也不至于让球迷年复一年地只能看与同样对手的球赛。

但即使这样,要在全国范围内评判球队的强弱依然很困难,因为没有直接相遇的球队难分伯仲,只能根据他们各自的战绩猜测。在大学橄榄球急速发展的半个多世纪中,这个可以说是美国最引人注目的比赛却一直无法产生正式的全国冠军。


早在1936年,美联社(Associated Press)便组织其各地报道橄榄球赛事的记者投票,按结果排出实力最强的25个校队。投票在每星期六球赛结束之后举行,星期天公布,就像音乐、图书界的排行榜一样成为大学橄榄球的成绩单。碗赛在新年结束后,最后一次的投票结果便是全年的最终排名,排名第一的学校被认可为“全国冠军”。

为了与美联社竞争,合众社(United Press International)只好另辟蹊径,在1950年搞了一个由各学校教练代表投票决定的排名。两个排名虽然排名结果大体相同,但其差异却突显了这种排名的主观、随意性。

1985年,麻省理工学院(MIT)的毕业生撒加林(Jeff Sagarin)开始使用计算机技术对每个队的成绩进行数据分析,不只是看他们的胜负记录,还综合考虑他们对手的成绩、不同球队与共同对手之间的记录、比赛是在主场还是客场、胜负比分差异等因素。他的程序所产生的排名可以涵盖所有的球队,而且在既定的算法之外不包含人为的主观影响。

继撒加林之后,又有一些类似的计算机排名出现,各自采用不同的标准和算法。这实际上是现代“大数据”分析方法的雏形。大学橄榄球因为球队众多、交集小,给他们提供了最早的用武之地。

但无论是专家还是程序,由排名产生冠军总会很尴尬。有些年份,一支球队技压群雄,明显高人一筹,在各个排名中都会名列前茅,被命名为全国冠军理所当然。但很多年份往往有两三支甚至更多的球队难分伯仲,谁被授予冠军都难以服众。堂堂的橄榄球赛因此沦为体操、跳水、花样滑冰一般为人诟病。

笔者的母校宾州州大(Penn State)就是一个特别“受气”的典型。这个学校在1887、1912、1968、1969、1973、1986、1994年赛季7次获得全胜的战绩,但只在1986年因为是唯一的全胜队伍才被投票选为冠军。其它6次全胜战绩却只能眼睁睁地看到别的学校获得桂冠。不过,宾州州大另外在1982年以只输一场的成绩被选为冠军。那年没有全胜的队,却也另有一所学校没有输过球、只平了一场但在投票结果中屈居第二,很不服气。

几十年来,球员、教练和球迷等要求举行季后淘汰赛(playoff),在赛场上决出冠军的呼声一直不绝,但持续遭遇强劲的阻力。一方面,大学不希望球员打太多场次比赛,认为那会影响学习;另一方面,季后淘汰赛必然会冲淡季后各“碗赛”的重要性和吸引力,各个碗赛组织者作为既得利益者而极力反对。

形势终究比人强。在几次折中、妥协的试验失败后,大学橄榄球赛终于在两年前(2014)有了一个有限的季后淘汰赛:每年赛季结束后,由一个13人组成的委员会选出他们认为最强的四个队进入淘汰赛,先分别举行两场半决赛,然后由胜者决赛产生冠军。今年的两场半决赛将在年底12月31日举行,而冠军赛则推后到1月9日。

这样一来,冠军队的资格基本上无可争议了。但哪四个队有资格进入决赛却还是非常主观的。在淘汰赛举行的这两三年里(今年比赛虽然尚未举行,四个队的选择已经作出。)排名第五、第六等无缘决赛的队伍都有一定理由很不服气。今年赛季结束,宾州州大爆出冷门,赢得所属“大十”(Big Ten)联盟的冠军,却因为总体成绩被委员会排为第五名与淘汰赛无缘。取而代之的居然就是他们的手下败将、没有取得联盟决赛资格的俄亥俄州大(Ohio State)。(不过宾州州大接受邀请,将出战历史最悠久的“玫瑰碗”,也不算太落魄。)


虽然冠军问题上一直不尽人意,美国的大学橄榄球在市场、热情上仍然无与伦比。全世界最大的球场,除了排名第一的是北朝鲜首都平壤的五一体育场之外,第二到第九都是美国大学的橄榄球场(依次为密歇根、宾州州大、俄亥俄州大……。这些球场还总是在扩建中,因此排列只是暂时的。)。这些球场都能容纳10万多观众,远远超过欧洲、南美的足球场或美国的职业橄榄球场。



大学橄榄球的拥趸除了校内的学生之外,还有众多的校友、家长等等。在橄榄球传统雄厚的学校,无论球场建多大也会一票难求。大凡球赛的日子,校友们会从全国各地赶回学校,与年轻的学生共享学校的骄傲。球场内,大学生占据了大半个球场,他们整场不停地高唱校歌、呼喊口号。加上庞大的学生乐队、啦啦队助兴。这是职业球赛所不可能拥有的热情。

更多的球迷还是在电视机前为自己的球队激动。过新年看球是很多家庭的传统节目,更是校友与母校感情交流的重要纽带。今年赛场上鹿死谁手,很快就要见分晓了。


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