捕捉引力波背后的故事（之十九）：天罗地网捕捉引力波

完成了引力波的结果核查任务后，惠特科姆从加州理工学院退休。他没有离开LIGO大家庭，而是去了印度。早在2009年，那里的物理学家就策划起激光干涉仪。但直到2016年2月17日，印度总理莫迪（Narendra Modi）才借着一星期前发现引力波的轰动宣布原则性地批准这个项目。

印度的干涉仪其实只是LIGO的一个延伸。印度负责选址、基建，LIGO提供仪器设备、技术，双方合作建造LIGO的第三个干涉仪，所有设计都与已有的两个完全相同。因此，这个计划被称作“印度LIGO”（LIGO-India），计划在2024年完工。LIGO一直想在不同的地理位置再建一个探测点。原来希望是在南半球的澳大利亚，但因为当地政府未能提供资金支持而作罢，然后与印度一拍即合。

但这不是亚洲的第一个干涉仪。

早在1997年，日本的物理学家就已经建造成功一个臂长300米的激光干涉仪，是当时世界上的最大号。2010年6月，日本首相菅直人（Naoto Kan）批准了大型干涉仪计划，开始“神冈引力波探测器”（Kamioka Gravitational Wave Detector）的初期施工。这个干涉仪设计臂长只有3千米，更接近于Virgo。为了减少环境噪音影响，整个干涉仪建造于矿山内的地下隧道里。他们还准备将反射镜置于超低温条件下来进一步增强灵敏度和信噪比。神冈干涉仪遭遇了很多工程困难，一再延长工期。他们现在期望在2018年底或2019年完成实验调试，赶上LIGO即将开始的第三轮探测运作（O3）。

日本和印度的这两个干涉仪将填补亚洲的地理空白，在北半球形成美国、欧洲、亚洲的全面覆盖。如果它们能同时测到同一信号，便能大大提高确定辐射源的精确度和速度，有助于更及时地带动“多信使”观测行动。

地球上现有和建设中的引力波干涉仪分布图。

这些还都只是现有干涉仪的补充，因为它们在尺度上没能超越LIGO在利文斯顿和汉福德现有的两个干涉仪。她们那4千米的臂长依然首屈一指。其实，德瑞福设计的法布里—珀罗谐振腔让激光束在长臂两端的反光镜之间来回往返，大约280趟之后才被引入测试区。这样，4千米长的干涉仪“有效臂长”被扩展为1120千米。

这样的技术手段也有局限。保持多次发射的激光束的聚集性能、避免光路之间相互干扰等是对光源、反射镜的非常高的质量要求。为了突破这个瓶颈，欧洲的物理学家已经提出建造臂长达到10千米的下一代干涉仪的方案。这个被命名为“爱因斯坦望远镜”（Einstein Telescope）的计划目前尚处于设计、争取资助的初级阶段。

通过增加臂长来提高灵敏度是理所当然的想法。但实际困难却也随之放大。首先，地球不是平的，而激光却只能走直线。现有的4千米的长臂两端如果一样高，那么一端发出的激光会偏离另一端的目标整整一米。因此，干涉仪长臂的管道高度必须按照地球表面的弧度修正，为施工增加了不少麻烦。10千米的臂长则几乎无法在地球表面实现，只能是像神冈干涉仪那样将整个长臂置放于地下隧道中。

增加臂长不仅是提高灵敏度，而且还能让干涉仪更敏感于低频段的引力波信号。

韦伯当年率先探测引力波时，对引力波可能的来源、频率、强度等一无所知。他并不在乎这些细节，只要能测到就行。但即使是瞎猫，要逮到死老鼠也需要知道频率。因为他的韦伯棒只有在与引力波的频率重合时才能共振。

物理学家习惯用最简单或最极端的情形对未知的参数做一个估算。韦伯也不例外。他推算一个星体如果以光速绕着一个最高密度的星体公转，产生的引力波的频率大概是一万赫兹（Hertz），即每秒钟振荡一万次。这是一个上限的估计，实际引力波频率只会比它低。出于设计、制作韦伯棒的实际考虑，他最终选取的共振频率是1660赫兹。

与韦伯棒不同，干涉仪不靠在单一的频率上的共振探测引力波，而是有一定频率范围的覆盖。韦斯早就知道他的干涉仪最灵敏的频率范围大体与钢琴重合，最敏感的在1000赫兹左右。LIGO探测到的第一个黑洞合并的引力波高峰的频率则出现在约300赫兹。

LIGO“听到”的双星合并是一个仅仅几秒钟的短暂过程，其信号是一个频率越来越高的“啁啾”。在那之前，双星接近过程中一直也都在发射引力波，只是频率太低、强度太弱而没能被干涉仪察觉。如果能大幅加长干涉仪的光臂，使其敏感度更高、能听到的频率更低，就可能更早地捕捉到信号，可以更长久地跟踪观测整个过程。

遗憾的是，地球上的环境噪音干扰也是频率越低强度越高。所以，建造超长的干涉仪不仅存在施工上的困难，还会遭受更强烈的环境噪音影响。低频段的信号与噪音正是爱因斯坦望远镜所期盼的成功和面对的最严峻的考验。

自然，科学家们想到应该可以另辟蹊径，冲出地球。


早在1974年，韦斯在发表激光干涉仪设计的两年后就向科罗拉多大学的班德（Peter Bender）教授提议把干涉仪建造到地球外的太空轨道上去。那里有现成的真空，可以让激光束没有阻挡地直线传输上几百万千米的距离。那里几乎没有环境干扰：没有地震、狂风暴雨、海浪拍岸。除了月球上的吴刚，也没有人会在附近砍树。

班德很感兴趣，做出了原始的设计：发射三个航天器分别进入地球绕太阳的公转轨道上，一起伴随着地球巡天遥看一千河。它们彼此相距几百万千米，形成一个等边三角形。如果在一个航天器上装备激光光源，其光束可以分别发到另外两个航天器上的反射镜上再反射回来，形成一个巨大的航天干涉仪。（韦斯设计的干涉仪中两个光束呈直角，是出于争取最大灵敏度的考虑。等边三角形干涉仪的光束夹角只有60度，牺牲了一定灵敏度。但三个航天器位置对称，每一个都可以既是光源、测量器，又是反射镜，同时构成三个独立的干涉仪。）

在地球环绕太阳轨道上运行的引力波干涉仪LISA设计示意图。

这个雄心不凡的计划开始由美国航天局资助进行早期研究，后来在1990年代由欧洲航天局接手，被命名为“激光干涉仪太空天线”（Laser Interferometer Space Antenna，缩写为LISA，即“丽萨”）。那还是LIGO项目内斗正酣之际，加州理工学院最早跟随德瑞福、沃格特的一些年轻人因为不满巴里什的接管陆续离开LIGO后就近加入了在喷气推进实验室内开始的LISA。LIGO和LISA逐渐形成既合作、又竞争的局面。LISA的人员还曾一度坚信他们会在LIGO之前探测到引力波。

虽然太空具备地球上没有的优势，那里也并不完全平静。航天器时刻经受着太阳光、宇宙射线、碎片等随机碰撞，温度、磁场等随机变化带来的扰动，以及地球、月球及其它行星、甚至偶尔经过的彗星、流星的引力摄动。

LISA的科学家、工程师针对这些因素做出了精益求精的设计，也同时陷入项目资金要求越来越庞大的泥潭。美国航天局尤其摇摆不定，两度退出。好在欧洲航天局一直没有放弃，只是一再要求减小项目的规模以控制预算。LISA因此变成了eLISA（“爱丽萨”）——不断变更中（evolving）的LISA计划。

2015年底，欧洲航天中心终于发射了“丽萨探路者”（LISA Pathfinder）。这个航天器不是干涉仪，而是一个将来可以置放激光器、反射镜的模型，目的是考察是否能够排除太空的环境干扰，实现没有噪音的环境。经过一年半的测试，丽萨探路者取得了十分令人满意的成功，为后续计划坚定了信心。

目前来看，LISA作为完整的干涉仪在太空的实现可能还需要等待十来年。欧美之外，中国也在酝酿着相似的“空间太极计划”（中国科学院）和“天琴计划”（中山大学）。日本也有一个叫做“分赫兹干涉仪引力波天文站”（DECIGO）的类似计划。

如果这些能够顺利上天并成功运作，几百万千米臂长的干涉仪有可能将引力波探测再度推进到一个新的时代。她们超常的灵敏度、对极低频率的“听觉”不再只是捕捉双星碰撞最后一刻的辉煌，而是可以长期地——几年、甚至几十年——跟踪双星逐渐接近的过程。（在这期间，同一个干涉仪在轨道上不同位置持续观测，相当于在相距几亿千米的位置上有不同的干涉仪观测同一信号，可以更有效地定位引力波的来源。）

这样的观测不仅可以进一步验证广义相对论，还能准确地预告双星最后碰撞的时刻和方位，让地球上其它“多信使”观测仪器提前做好准备。也就是说，在可见的未来，人类将在有能力预测地震之前，准确地预测“天震”。



在地球环日轨道上运行的丽萨和她的姐妹们应该能观测到频率低达十分之一赫兹（分赫兹）的引力波。然而宇宙中却应该还有更低频率的引力波存在。天文学家推测在遥远的大星系的中心存在质量巨大的双黑洞，它们的运动发射着频率低达纳赫兹（10^-9赫兹）的引力波，也就是这个波动要30多年才能完成一个周期。或者说，这引力波的波长大于30光年。如此缓慢且微弱的变化是无法用干涉仪探测到的，除非我们能有长达光年尺度的测量仪器。

早在1978年，苏联天文学家便提出可以通过精准观测脉冲星来探测这样的引力波。贝尔当年发现的脉冲星是宇宙中无比精确的时钟，定时给地球送来射电脉冲。脉冲频率越快的越精确。1980年代以来，天文学家已经发现一系列毫秒脉冲星，其自转周期在1毫秒左右（也就是1秒钟内自转600来圈）。如果测量到的脉冲信号不是完全准确，那一定是存在什么干扰效应。正是通过对这种脉冲星信号的精确测量和分析，天文学家在1992年发现了有行星在绕某个脉冲星公转——那是人类第一次发现太阳系之外的行星。

因为脉冲星的电波传到地球的途中会感受到引力波的作用，从不同方向来到地球的电波会感受到同一个低频引力波的作用，就像我们在相距几光年、几十光年的不同地点设置了探测引力波的“浮标”。综合这些毫秒脉冲星信号的变化并排除个体、偶然因素，就应该可以从中看到波长几十光年的引力波。这种观测方式叫做脉冲星定时阵列（Pulsar Timing Array）。这个“阵列”指的是在宇宙空间排列着的一系列脉冲星——如同捕捉引力波的恢恢天网。

2004年，澳大利亚的帕克斯（Parkes）射电天文台率先开始了作为定时阵列的毫秒脉冲星信号测量。随后，欧洲和北美也相继开始了他们独立的观测。因为目标引力波周期之长，至少需要连续搜集几十年的数据才有可能从中找出可能的引力波线索。科学家十分乐观。2016年3月，喷气推进实验室的泰勒（Stephen Taylor）预测未来十年内通过脉冲星定时阵列探测到纳赫兹引力波的可能性有百分之八十。

最后，即使是以光年为尺度的脉冲星定时阵列也无法探测到频率最低的引力波。它——如果确实存在的话——仍然隐藏在宇宙微波背景辐射背后。BICEP2的乌龙式失败固然触目惊心，在科学历史上毕竟只是暂时的挫折。更多、更新的观测结果随时有望再现。也许我们不久就能真正地看到宇宙大爆炸伊始的“原始引力波”，给我们揭示出多重宇宙的秘密。

不同种类引力波的频率范围和相应的探测手段。从左往右：宇宙微波背景辐射中的B模式残留、脉冲星定时阵列、太空轨道上的干涉仪、地球表面的干涉仪。

在回顾引力波的发现时，物理学家舒茨（Bernard Schutz）描述人类一直像一个在密林中探险的聋子。他们四处观望，看到无数的树木、爬藤、野花、小鸟、猿猴等等，体验着一个五彩缤纷的世界，似乎已经很满足了。突然，他的听觉恢复了，立刻仿佛进入了一个全新的世界。他听到了几千米以外大树倒下的轰然回响、密林深处野兽的咆哮。世界不再寂静。

引力波的发现唤醒了我们的“听觉”，宇宙刹那间从绚丽的静止图片变成了活生生的世界。我们听到了黑洞碰撞的轰鸣，看到了双中子星合并时迸发的光彩。经历了最初的多层次感官冲击后，物理学家发现他们还没有满足。

霍金生前输掉的最后一个赌是2012年希格斯玻色子（Higgs boson）的发现——他曾经打赌那不可能做到。在祝贺成功的同时，他也不无遗憾地指出，希格斯粒子的发现让物理学变得没意思了。如果找不到这个粒子，物理学会有趣得多。

霍金没有在引力波探测上打同样的赌，也没有发过类似的感慨——他更得意于引力波验证了他自己当年对黑洞行为的预测，也与其他物理学家一样沉浸于对天文学进入一个崭新时代的憧憬。也许，如果他输了一个引力波的赌，也会流露出同样的失落。

因为引力波和希格斯粒子的发现一样，都“只”是验证了过去已有理论的预测。引力波更为古老，是爱因斯坦在整整一百年前提出的。已有的理论终于得到验证固然令人欣喜，却也“变得没意思”了。因为更令人激动的是现有的理论被实验结果质疑、推翻：意料之外的结果才更能发现新的未知、催生新的突破。

好在引力波不仅是一个发现、一次证实，更是一个新的工具。当天文学走向多信使的新时代时，我们还无法想象会有什么新的发现会出现。借助引力波，我们能够终于听到看不见的暗物质（dark matter）、接触上神秘的暗能量（dark energy）吗？通过对引力波更深入、细致的了解，我们是否能解决广义相对论与量子力学的矛盾，最终实现爱因斯坦统一物理学的梦想？

如果真的到了那么一天，我们应该还会记得，在捕捉引力波的整整一个世纪里，曾有过韦伯、韦斯、索恩、得瑞福、沃格特、巴里什、布拉金斯基、比令、休夫、惠特科姆……，还有过惠勒、费曼、贝尔、赫尔斯、泰勒、韦斯伯格……。他们孜孜不倦锲而不舍的追求，并不只是为了一个终极的结果，而更在于那不断探索、发现、创新的过程。


（完）

主要参考资料：

1. Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy, Govert Schilling, Harvard University Press, 2017.
2. Black Hole Blues and other Songs from Outer Space, Janna Levin, Anchor, 2016. 中译本：《引力波》，胡小锐、万慧译，2017年7月中信出版社出版。
3. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, Kip S. Thorne, W. W. Horton & Company, 1995. 中译本：《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》，李泳译，1999年湖南科学技术出版社出版。
4. Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves, Daniel Kennefick, Princeton University Press, 2007.
5. 加州理工学院“口述历史”档案（包括布拉金斯基、韦斯、索恩、巴里什、惠特科姆等LIGO项目参与者口述回忆）
6. LIGO官方网站资料

科普

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

捕捉引力波背后的故事（之十）：惊心动魄的外争内斗

1990年，苏联的铁幕开始松动。布拉金斯基第一次被允许携夫人出国访问，两人在加州理工学院待了整整一个夏天，无比喜爱这里的环境。如果不是在莫斯科大学还有教学任务，他们也许会逗留更久。

然而，布拉金斯基也并不完全开心。短短的三个月里，他目睹了两位科学家辞职离开引力波项目。德瑞福的随性、沃格特的专横在激化着小团队的内部矛盾，人人“要脱一层皮”的经历似乎正在上演。

德瑞福热衷于自己埋头不断地、反复地改进、发明实验技巧。对他来说，这是一个永远不可能完成的过程。沃格特则正相反，他认定工程进度的要求不允许没完没了地纠缠于技术细节。于是，德瑞福认为沃格特是外行瞎指挥，沃格特指控德瑞福不具备踏实的科学态度，只是东一榔头西一棒子地瞎蒙（他倒也不得不承认德瑞福经常会蒙对）。为了更有效地管理，沃格特指定惠特科姆担任他的副主任，撇开了韦斯、索恩和德瑞福。

惠特科姆此前因为受不了德瑞福的专横跋扈已经辞职离开了，这时又被沃格特召回。他的主要任务似乎就是协调沃格特与三驾马车的关系，也就是新的婚姻调解员。为了顾全大局，索恩和韦斯都选择了低调，只是倔犟的德瑞福发现自己的处境很不妙。他与沃格特的分歧越来越公开化，发展到在每周例会上吵得不可开交。后来，沃格特开会时不再邀请德瑞福。会议进行时如果德瑞福自己来了，他立刻便起身离去。两人的明争暗斗不仅令团队、基金会头疼，而且逐渐被科技媒体获悉而公开报道，成为不得不解决的重大问题。

1992年7月，加州理工学院作为管理方出面宣布德瑞福不再是引力波项目的成员。如同被解雇的职员，他被禁止进入实验室重地，只能在有人监护下才能去取回自己的私物。紧接着，借着装修的机会，德瑞福办公室门锁被更换、通道被新砌的墙完全堵死。德瑞福眼睁睁地被自己最心爱的事业抛弃，身心俱焚。然而团队内部也鲜有同情他的同事。索恩后悔没能更多地理解他的个性。旁观的韦斯和布拉金斯基则有一致的判断：他自认为莫扎特（Wolfgang Amadeus Mozart）式的天才，却只是一个非常优秀的独奏家，不可能指挥一个乐队。

从此，引力波项目不再有三驾马车。


那几年沃格特焦头烂额，还不只是因为德瑞福。作为项目主任，他的首要任务是赢得国会的拨款。于是他成为职业游说家，几乎每星期都飞往首都华盛顿，在国会求爷爷告奶奶地逐个拜访议员办公室寻求支持。1991年，国会组织了一场听证会，邀请贝尔实验室的物理学家泰森（Tony Tyson）作为项目外的主要证人之一。

泰森也不是外人。他就是当年自制了韦伯棒然后与韦伯直接交换、核对探测数据的合作者之一。当时他为了校准自己的仪器有意注入了一些人为的虚假信号，却赫然发现韦伯把它们当作了他们同时测到引力波的证据。（泰森自己倒是测到过一个真实的信号：在阿拉斯加州进行的一次地下核试验把他的韦伯棒当作地震仪鸣响了。）

已经离开了引力波领域的泰森对干涉仪基本上抱支持态度，只是对高达2亿美元的投资能否得到相应的回报非常怀疑。他在作证时指出该资助申请“过度地高估”了能捕捉到引力波的可能性。为了帮助不懂科学的政客和公众体会到这个机会之渺茫，他形象地描述道：

想象一下绕地球走一千亿圈的距离。当一个很强的引力波到来时，不过是会把这个距离改变不到一根头发丝厚度的程度。我们大概只有零点几秒的时间能测量到这个变化。而我们还没法知道这个短暂、细微的变化是会发生在下个月、明年，还是三十年之后。

此外，泰森还有一个更现实的数据：他咨询了200来位天文学家，其中近170人反对投资这个项目。

当晚，泰森就接到了索恩的电话，他能听出后者很受伤。索恩又给泰森写了一封很详尽的信，引用这些年理论、模拟的结果证明他们并没有“过度高估”测量引力波的可能性。沃格特找到泰森，当面冲他发了火。泰森的电子邮件信箱也被项目内同行的来信挤爆。

三天后，压力山大的泰森向国会提交了一个补充证词，把他原来的话改成一句没有实际意义的“许多人觉得引力波的强度和发生频率在过去曾被高估过”。同时他明确表达了自己支持偶尔用大投资进行高风险科学探索的态度。

无论是1972年的原始论文还是1983年的蓝皮书，韦斯一直把他的干涉仪叫做“引力天线”，意思是这个仪器可以接收到引力波信号。在他们走向大科学之际，他意识到要有一个更引人注目的名称。在英文世界里，好的名字往往只需要有一个朗朗上口的缩写，并不在乎背后的全名。

凑来凑去，韦斯最后决定把他的天线改称为挺绕口的“激光干涉仪引力波天文台”（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），因为它有一个响亮的缩写：“LIGO”。

1989年提交的资金申请书封面，题目是《激光干涉仪引力波天文台的建造、运行和相关的研究开发》。

当泰森看到他要去国会为一个“天文台”作证时，自然就想到应该去找天文学家做一个民意测验。

相比于阵容庞大的物理学界，天文学界只是一个小团伙。因为天文观测需要建造、共享大型望远镜和数据，他们内部保持着非常紧密的协作关系，善于抱团取暖。每十年，他们组织专家对本行业未来十年的前景、目标进行全面的审视（Decadal Survey），为各种投资项目、仪器设备进行优先排序，然后井井有条地申请、分配国家科学基金会为他们提供的资金。

在过去二十来年里，尽管引力波曾经是重大新闻，天文学界一直没有把它放在心上。跟着韦伯、韦斯折腾的都是与天文不搭界的物理学家。激光干涉仪在他们的十年规划中从来没有过位置。它最多只在讨论时偶尔被提起过，但随即就因为不现实被否决。

当天文学家们从泰森的调查中知道居然有人在向国会申请2亿美元巨款建造一个他们不知情的“天文台”时都震惊了，绝大多数人自然地投了反对票。曾经与索恩打赌不可能在20世纪内测到引力波的奥斯特里克尤其愤怒。他本来就与泰森一样对索恩依据的数据持很强的怀疑态度，这时更公开谴责他的朋友这一不守规矩、破坏既有程序的不当行为。

当然这些天文学家们更担心的还是资金问题。在这一个项目上集中的大投资即使不把他们自己的小金库掏空，也会严重影响他们将来可能的拨款。如果国会、基金会有这笔大钱，他们的十年规划中还有很多更值得投资的项目可以提前实施，轮不到物理学家越俎代庖。

索恩和沃格特对来自天文界同行的反对和指责觉得很委屈。他们指出这只是“天文台”名字闯的祸：他们的干涉仪与天文学其实没什么关系，是一个“纯物理”项目。他们一再解释在此之前基金会对他们的资助完全都是从物理科目中支出，从来没有动过天文学的那块奶酪。如果国会通过这项拨款，也不会影响此后的天文学资助，因为这是单独的立项——为物理学的立项。

沃格特很清楚，听证会只是一个公关平台，天文学界的意见更不是决定因素，争取议员的关键在于诉诸利益。建造“天文台”有一个可以利用的诱饵是它的选址，无论建在哪里，当地都会因为这笔巨大投资受惠，是议员攫取政绩的好机会。他们先列举了几十个可选择的地点，遍布美国各地，吸引议员的注意、支持。

沃格特最注重的是东北部的缅因州，那里的民主党籍参议员米切尔（George Mitchell）是参议院多数党领袖，一言九鼎。他对这个自己州能受益又深具科学意义的项目非常支持，鼓动缅因州政府发行债券协助，并在国会积极推动议案。1991年底，国会通过了第一年的初期拨款。

可是，当基金会1992年初正式宣布选址结果时，缅因州却榜上无名。虽然基金会坚持其选择完全出自科学上的考量，沃格特却判断这是占据白宫的共和党人暗地里给米切尔使了绊子。无奈，他只好又费尽周折找到选址之一的路易斯安娜州的共和党籍参议员约翰斯顿（J.Bennett Johnston），在他办公室地板上铺开设计图，画起时空线，两人席地而坐出乎意料地畅谈了两个多小时。约翰斯顿被他天花乱坠的图景彻底折服，成为LIGO在国会新的吹鼓手。

1992年，国会有惊无险地通过了LIGO拨款法案。这时正是韦斯原始论文发表的二十年后。

国会议员们也不只是对LIGO斤斤计较，他们同时还面临着更严峻的抉择。

早先已经获得批准的能源部的那个“超导超级对撞机”项目的预算这时已经从原先的40亿美元暴涨到超过110亿，引起轩然大波。国会一再举行听证会，许多物理学家，包括声名显赫的诺贝尔奖获得者，公开作证反对继续投资对撞机。他们的理由与反对干涉仪的天文学家不谋而合：投资太大、时机太早、可能的受益太小；如果把钱砸在这一个高能物理项目上面，其余所有物理学家的资助前景堪忧……

航天局的国际空间站项目也遇到同样的麻烦。他们的预算与对撞机差不多大小，不同的是这时他们已经成功地游说日本、欧洲等参与、分担费用，成为真正的国际项目。对撞机也做了这方面的努力（日本、中国都曾一度同意加入），却效果甚微。

美国这时已经进入严重的经济萧条，捉襟见肘，不再有1980年代那样的雄心勃勃。国会认为这两个大项目最多只能供得起一个。1993年，上任不久的克林顿（Bill Clinton）总统签署议案，撤销了已经花费了20亿美元的超级对撞机项目。一时间，美国高能物理学界风声鹤唳，众多物理学家不得不临时更改科研方向，甚至另谋出路。

当2012年欧洲核子中心宣告成功地探测到希格斯玻色子时，美国人只能仰天长叹。他们当年的梦想这时只剩下在得克萨斯州荒郊野地里挖下的一条巨大的地下深沟和几幢废弃的大楼。

德克萨斯州地下废弃的为超级对撞机挖掘的巨型地道。

在那场震撼之时，没有人注意到在夹缝中存活的只值2亿美元的LIGO。


在成功赢得资助后，沃格特终于觉得自己是LIGO项目的真正主人。骨子里对上级权威的无比憎恨促使他想方设法让基金会靠边站，由他全权管理。在他眼里，基金会只要担负起从国会转账付钱的角色就可以了。为了便于管理，他没有立即扩大团队规模，依然维持着当初十来条枪的小队伍，其中大部分是听话的年轻职员和博士后。他希望这个精悍的团队能够完全服从他一个人的指挥，加班加点、艰苦奋战地完成巨大的使命。

因为德瑞福事件已经开始对沃格特的管理不放心的基金会无法理解他为什么迟迟没有组织起能够管理上亿美金预算的专业办公室，为什么还一直按兵不动，没有及时展开场地建设。他们开始质疑他的领导能力，要求他提交具体的工作方案、定期汇报进展。基金会又一再邀请专家进行评议，他们有些指出沃格特不是合适的领导人，有些更直截了当地提议撤销整个项目。

沃格特这时也已经与刚上任时判若两人。他对基金会的插手深恶痛绝，一再拒绝合作。在一次多方参与的讨论会上，他在基金会一位年轻成员提问时突然勃然大怒，面红耳赤地当堂咆哮。在场的韦斯和惠特科姆不得不全力将他硬拽出会场，他们知道已经无法继续袒护沃格特离谱的行为方式。

1993年底，忧虑重重的基金会冻结了LIGO基建方面的拨款。1994年1月，国会将LIGO的年度预算削减了8百万，项目又一次陷入绝境。加州理工学院再一次没有选择，决定撤销沃格特项目主任的职务。至此他只任职了五年多。

四分之一世纪之后，果真在沃格特手下经历了一场脱胎换骨但还“幸存”的索恩、韦斯不约而同地感叹，真正的奇迹不是我们终于找到了引力波，而在于我们当初居然没把这事彻底搞砸。


（待续）

科普

捕捉引力波背后的故事（之九）：较真的加文和专断的沃格特

1974年在麻省理工学院举行的一次学术会议上当面指责韦伯出示的引力波数据存在学术不端行为，以至于两人差点动手打架的那位科学家是在国际商业机器（IBM）公司服务的加文（Richard Garwin）。加文是一个物理全才，也更是一位神话级的人物。他大学毕业后只用了两年就获得博士学位，导师是大名鼎鼎的费米（Enrico Fermi）。阅人无数的费米对加文的评价直截了当：他是自己一辈子遇见过的唯一的真天才。

博士毕业后，加文每年夏天跟着费米到核武器实验室游荡，那时才23岁的他顺手就帮泰勒（Edward Teller）设计了人类第一枚氢弹。从此他与美国政府、军界结下不解之缘，参与过多个绝密项目，包括最早的间谍卫星和针对苏联攻击的预警、防御体系。IBM对他尤其青睐，费尽心机将他招到旗下担任科技总管，还在合同中写明他作为公司雇员可以用三分之一时间为政府提供无偿咨询服务。加文因此得以自由地穿梭于政界、学界和商界之间，还多次担任总统科学顾问。

在IBM，加文随心所欲地涉足了多个物理基础研究领域，还顺带发明了一系列数据存储硬盘、激光打印机、触摸屏幕等实用设备，可惜公司管理层识人不识货，没能积极推广这些高技术的应用。加文后来也颇为后悔自己当时没有足够的魄力跳出来创业，也许可以改写近代计算机行业的历史。

韦伯宣布探测到引力波后，加文立即在IBM试图重复，当然没有成果。他没有简单地放弃，而是孜孜不倦地展开调查，终于发现了韦伯隐瞒他与合作者核对数据中发生的乌龙事件。他当众与韦伯对质，其后更不依不饶、穷追猛打。这不仅对韦伯个人伤害很大，也给了当时的引力波热潮最致命的一击。

1972年的加文（左）与他的同事James Levine和他们在IBM自制的韦伯棒。

年轻时的加文没有去亲眼观看自己设计的氢弹成功试爆，后来他更走向推动裁减、消灭核武器的立场，一辈子都在做这方面的努力。1980年代，他正忙于带领一个叫做“忧思科学家联盟”（The Union of Concerned Scientists）的组织在抵制、阻止里根总统发起的、绰号为“星球大战”的太空战略防御计划，反对太空武器化。

当他无意中听到引力波探测的项目居然又死灰复燃时不禁大吃一惊，立即找到国家科学基金会要求了解内情。他觉得探测引力波应该还只是一个很遥远的梦想，如果政府准备花费纳税人的上亿美元在这上面豪赌一把，那不能只是少数几个人说了算，至少应该要有更多的科学家了解、参与这个决策。

艾萨克森对加文的多管闲事正是求之不得。


德瑞福全职在加州理工学院上班后并没有改变他的行事方式，依然我行我素。更严重的是，他与韦斯在干涉仪的设计上有了原则性的分歧。

德瑞福坚持干涉仪中激光束经过的那两条长臂必须做成他已经研究很久的超大型法布里—佩罗谐振腔，这样才能保证激光频率的稳定和有足够的光强测量干涉条纹。他在这个基础上又发明了一个怪招：在探测仪前端增添一面镜子，把探测时不需要的光再度反射回那个谐振腔，大大增加了光强。

韦斯对这个奇妙的设计却一直提不起兴趣。谐振腔需要固定光源和反射镜之间的距离，使其恒定是激光波长的整数倍才有效。这样也就不能让反射镜随引力波振动，与迈克尔逊测量两个光路时间差异的原始设计相违。如果采取德瑞福这个设计，韦斯自己十来年依据迈克尔逊经典设计所积累的大批经验便失去了价值。而韦斯的设计也有长处，可以大大降低对激光光源性能的要求。

两人各持己见，不相上下。作为这场被迫的婚姻的职业调解员，索恩显然是非常地不称职。他试图在两人之间斡旋，却既没有足够的实验知识服人，也没有权威一锤定音，只好不了了之。愤怒的德瑞福经常呛索恩，指出当初索恩到苏格兰请他时曾许诺是由他完全主事的，却成了一个言而无信的骗局。索恩无言以对，只能苦笑。

韦斯意识到他们已经完全无法共事，每次讨论都有演变成吵架的危险。他选择了退避三舍，带着自己的队伍躲在麻省理工学院把那个1.5米长的干涉仪扩展到5米，用它来研制一些大型干涉仪所需要的部件。

转眼间两年过去了，三驾马车所承载的引力波项目基本上毫无实质进展。基金会暂停了资助的延续，不得已的艾萨克森已经在认真考虑是否放弃、撤销整个项目。加文的不请自到无异于雪中送炭。他立即请加文组织专家队伍，作为第三方对项目进行全面、彻底的同行审议，以资决策。

1986年秋天，加文邀请了物理学界一批大师级的人物，从诺贝尔奖获得者到各方面专家以及负责过大科学项目的能人等，把他们关在麻省理工学院的一个会议中心整整一个星期，对引力波探测项目进行了全方位的审理。他布置了三大课题：第一，引力波是否存在？第二，引力波能不能被人类测到、激光干涉仪的设计是否可行、是否值得基金会的投资？第三，现有的团队是否能胜任这一任务？

第一个问题很简单。在精确测量到双中子星轨道衰减之后，已经没有什么物理学家还在怀疑引力波的存在。加文自己对第二个问题抱着很强的怀疑态度，但他惊讶地看到专家们也一致地对用激光干涉仪探测到引力波充满了信心，对基金会的计划没有异议。

然而，专家们对现有团队的评价也惊人的一致：不及格。他们看出韦斯、索恩和德瑞福完全没有管理大项目的经验和能力，还只是在以小作坊的方式各行其是。这样下去不可能有成功的希望。他们建议基金会在完全注入资金之前，再给他们两三年时间整顿、考察的机会。当务之急则是要设立一个专门的项目负责人，担负起球队教练、乐队指挥的责任，将这些散漫的物理天才们整合成一支步调统一的队伍。

也就是说，要给三驾马车找一个车夫。

艾萨克森对这个结果非常满意。专家评议的结论不仅提供了他继续支持引力波项目的后盾，也同时递给他下一步需要的尚方宝剑。他立刻又举起了手里的枪，这次不是直接对准韦斯、索恩或德瑞福，而是负责项目管理的加州理工学院：如果你们不能很快地找到一个称职的负责人重整这个项目，就不要再想得到资助。

几乎同时，加州理工学院主管学术的副校长沃格特（Rochus Vogt）被迫辞职了。


沃格特的青少年时代是在纳粹统治下的德国度过的。1945年德国投降时他才15岁，却已经被征了兵，旋即成为反法西斯同盟国的战俘。这个经历让他痛恨极权政府，也因之鄙视所有权威，渴望能自己独来独往。

战后，他回到被战争摧毁了的农庄，进入炼钢厂打工。因为对机械的兴趣，他考入当地的一所技术学院进修工程师课程。在学校里他却发现更感兴趣的是物理课和国际象棋。他花了一年的时间逃课去街上与人赌赛象棋，赢了不少钱来维持生计和学业。只是教授不乐意了，给他最后通牒：要么放弃象棋，要么放弃物理。他从那时起再没有下过一盘棋，只是一直热衷于收藏棋子和棋谱。

集中精力研习物理后，他进入著名的海德堡大学并在毕业时获得去美国留学的奖学金。那是美国参议员富布赖特（J. William Fulbright）在二战之后主持设立的一个促进美国和其它国家交换学生、学者的项目。沃格特刚到美国就结识了一位项目中一起接受培训的法国姑娘。这两个来自战争仇敌国度的年轻人结婚时，引用了富布赖特阐述国际学术交流的一句话：“他们也许有可能发现不再需要兵戎相见而解决他们国家之间冲突的新途径。”

沃格特用奖学金到芝加哥大学研究天文物理，还参与了南极宇宙射线测量项目。1962年，他受聘来到加州理工学院，深深地爱上了这个校园，扎下了根。因为厌恶官僚手续的麻烦，他没有立刻加入美国国籍，但已经全身心地成为美国人。

在加州理工学院的喷气推进实验室，沃格特主持了美国航天局资助、目标是走出太阳系的“旅行者”（Voyager）飞船上测量宇宙射线的项目，也负责过大型毫米波段天文望远镜的建造。在这过程中，他逐渐完成了从科学家到科研管理的角色转变，相继在实验室、系、院各层次担任过主要领导职位。1984年，就在旅行者飞船开始向地球传回大量激动人心的数据时，他忍痛离开了心爱的项目，专心担任起加州理工学院副校长。

蔑视自己头顶权威的沃格特在这个过程中却也越来越明显地表现出自己独断专行的管理风格。虽然他在副校长位置上为学校做出了不俗的贡献，他与校长谷德伯格却一直合不来。两个性格倔犟的物理学家围绕政策方针人事等方面发生了一系列冲突。1987年2月，沃格特不得不在谷德伯格的压力下辞职。

失意的沃格特回到物理系，只在地下室厕所边拥有一间小办公室。他不愿意再回到旅行者项目中去抢过去同事的风头，却也一时半会儿找不到合适的科研方向。楼上的索恩注意到这位赋闲中的“大领导”，觉得他可能正是他们所需要的车夫。

索恩并不了解沃格特，便去找人打探。一个为沃格特工作过的同事告诉他，沃格特主持的项目可以说不会有失败的可能。只是谁跟着他干都会落得伤痕累累，不过也会很值得。索恩当时只听到前半截话，那对他来说就足够了。韦斯也得到了同样的情报。有人警告他在沃格特手下走一趟，绝对会脱胎换骨，不再会是今天的自己。同样地，韦斯没有太放在心上，他关心的只是沃格特能带领项目走向成功。

德瑞福没有在意具体的人选。他曾几次自己飞到首都华盛顿与艾萨克森单独谈话，试图说服他改变另找负责人的决定。艾萨克森冷静但坚决地回绝了他。虽然已经在加州理工学院干了很多年，德瑞福一直觉得自己还是个外人。他没有想到去打听一下沃格特的性格特点，更没有人警告过他会有被扒一层皮的危险。

经过一番劝诱，沃格特在1988年夏天同意担任引力波项目的主任，三驾马车有了他们的车夫。他果然雷厉风行，上任伊始便拍板采纳德瑞福的法布里—佩罗谐振腔设计方案，指令无论是加州理工学院还是麻省理工学院，都必须全心全意地为这个设计努力。同时，他制订了目标明确的科研计划，将实验室日常工作纳入了按部就班的正轨，不再允许科研人员被德瑞福一日一变的新主意支使得团团乱转。没多久，整个团队的面貌便焕然一新。

1990年索恩、德瑞福和沃格特（从左到右）在加州理工学院的激光干涉仪前合影。

1989年，沃格特完成了他新官上任最迫切的任务：将韦斯的蓝皮书具体化为资助申请书，提交国家科学基金会。

他们在申请书的导语页上引用了意大利学者马基雅维利（Niccolo Machiavelli）1513年所著的《君主论》中的句子来描述这个项目的风险、意义和决心：

天下再没有更难的事可以着手
需冒着更大的险恶
或者更无法确定能否成功，
可以相比于走在前头
去引入一个全新的秩序。

沃格特等1989年提交的资金申请书导语页。

他们这时提议的干涉仪已经加长到4千米，预算也增至将近2亿美元。如此之大手笔，其目的——申请书指出——不仅在验证广义相对论，更是要为人类“打开一扇在本质上不同于过去电磁和粒子手段的观察宇宙的全新的窗口”。

基金会对沃格特的工作极为满意。1990年，他们正式批准了干涉仪计划。

不过基金会的批准只具备象征意义，因为他们的常规预算中并没有这一笔钱。的确，基金会年度预算中天文领域的全部资金也不到1亿美元。从其诞生到现在，基金会还从来没有接触过如此规模的项目。为了打开这个“全新的窗口”，他们还必须向国会申请专项拨款。

进入1990年代，现实世界正在经历着一场天翻地覆的变化。强劲的美国此时也疲态频现，经济危机正在降临。


（待续）

科普

捕捉引力波背后的故事（之七）：随心所欲的德瑞福

贝尔成为剑桥大学的研究生之前是苏格兰的老牌学校格拉斯哥大学的学生。入学时，每个本科生都随机地安排有一位导师，贝尔便摊到了德瑞福。德瑞福自己那时也不过三十出头，刚刚博士毕业，留校当了教师。

很快，贝尔发现德瑞福的心思从来没有放在指导他们几个学生上，对他们的选课、考试等等提不起半点兴趣。他只爱唠叨一些自己脑子里正在琢磨着的、听起来云山雾罩的物理问题。贝尔深感失望。

德瑞福出生于格拉斯哥附近的一个小村。他父亲是乡村医生。母亲生他时遭遇难产，是父亲协助另一个医生用产钳硬把他拽进这个世界的。当地人相信这样出生的孩子大脑可能受到损害，会异常倔犟不听话。德瑞福果然印证从小就性格孤僻，很不合群地自以为是。但他也显示出与众不同的动手能力，最喜欢做的是帮父亲的病人修理收音机、钟表等小玩意。第二次世界大战期间来来往往的军队在当地留下了大量废旧电子元件，成了他收集的宝贝。他用这些“垃圾”组装了村里的第一台电视机，让乡民们有幸瞻仰1953年英国女王的加冕盛典。

穷困的出身赋予了德瑞福俭朴、抠门的习惯。即使是做了大学教授，他也总是在收集各种别人丢弃的小物品，想方设法让它们发挥出新的用途。他的孤僻也没有多少改进。大学毕业时他曾有机会去剑桥大学深造，但家人一致反对，担心以他的性格离家远将无法生存。于是他就留在了格拉斯哥大学。（贝尔大学毕业时希望去苏格兰天文台工作，却因为是女性被婉拒。德瑞福推荐她去了剑桥，然后我们就知道了脉冲星的存在。）

大学本科生贝尔那时无法听懂的是德瑞福正在筹划一个非常新颖的实验。

质量是一个非常基本的物理概念。牛顿力学的第二定律说物体受到外力时会加速，加速度大小与受力成正比，比例便由物体的质量决定。牛顿的万有引力则说两个物体之间有引力，引力大小与物体的质量成正比。这两个定律看起来简单，却隐含了一个蹊跷：质量是一个物体本身特有的属性（通俗来说就是物体自己有多少货），也许可以决定它产生的引力大小，那怎么同时又决定了自己受外力作用的反应呢？从牛顿开始，物理学家就猜想也许其实有两个不同的质量，分别叫做“惯性质量”和“引力质量”，我们只是看不到它们之间的区别而误以为那是同一个概念。

爱因斯坦的广义相对论引进了一个新的“等价原理”：一个加速中的物体与一个在相应引力场——或弯曲的空间——中的物体是无法区分的。这样的话，惯性质量和引力质量也必须完全等同，否则等价原理无法成立：通过测量两个质量的差异就可以判定物体是在加速还是处于引力场中。

如果说找出这两种质量的差异在经典物理中还只是一个有意思的结果，在广义相对论便成为对其基本原理上的本质挑战。

德瑞福知道那时物理测量精确度最高的有原子的核磁共振光谱，而这个光谱线与原子核的惯性质量息息相关。通过在不同环境下测量光谱可以发现原子核的惯性质量是否会因为环境有变化。而另一方面，原子核的引力质量是与环境无关的。如果发现这方面的差异就可以知道两者不是同一个概念。

他的设计别出心裁，就是要连续24小时测量锂原子的光谱。在这过程中，锂原子核随着地球自转“坐地日行八万里”，其所在的宇宙环境也发生了“天翻地覆”的变化：有时正对银河系中心恒星密集的方向，有时却面对恒星相对稀疏的夜空。这个环境质量分布的变化如果能够影响原子核惯性质量，便会在光谱线的精度范围内表现出来。

比他这个设计更为奇葩的还是他的实施手段。实验需要有磁场，他没有设备，就直接利用起天然、现成的地磁场。其余的一切也都是同样地因陋就简：他从学校里借来几个教学用的简单仪器，配上以前收集的废弃汽车电池、古旧的照相机、显微镜，就在他母亲的后院菜园里测量起来。

几乎同时，美国耶鲁大学的休斯（Vernon Hughes）教授带着他的团队，使用正规的设备也独立地进行了同样的实验。他们取得了一致的结果：测量不出惯性质量有什么变化，广义相对论没有问题。

区别只在于德瑞福单枪匹马在自家后院土法上马做出的结果比耶鲁的在精度上高出了两个数量级。这个实验后来被命名为“休斯—德瑞福实验”。

德瑞福因此在学术界小有了名气。哈佛大学的庞德（Robert Pound）教授邀请他去做了一年博士后。庞德是核磁共振技术的发明人之一，也是一个被诺贝尔奖“擦肩而过”的物理学家。德瑞福第一次离开家乡，飘洋过海开了一次眼界。

1970年德瑞福回到格拉斯哥时，已经被韦伯的壮举勾了魂。他在系里创立了一个实验室，与年轻助手休夫（James Hough）一起研究如何探测引力波。他非常希望能去观摩韦伯的实验。韦伯那时却已经因为同行们的质疑而烦躁，断然拒绝了德瑞福的请求。固执倔犟的德瑞福不甘心，自己飞过大西洋就直接去敲韦伯实验室的门。韦伯非常生气，依然拒绝了这个远方的不速之客。

吃了闭门羹后，德瑞福回到苏格兰与休夫一起自己研究、组装了一个韦伯棒。折腾了5年，最后下了结论：韦伯棒无法测到引力波，必须另辟蹊径。

1972年的德瑞福（右）和休夫在格拉斯哥大学实验室装配他们自制的韦伯棒。

他不记得是从哪条途径听说韦斯的干涉仪的，只记得想方设法只能找到韦斯在麻省理工学院内部发表的那篇论文的缩微胶片，放大印出后几乎无法辨认内容。他很快意识到干涉仪必需的激光器是他的最大难题。当时购买一个高质量的激光器需要花费一万英镑，远远超过他的负担能力，更不符合他勤俭持家的风格。于是，他花了近两年时间钻研如何改进激光。


韦斯的干涉仪遵循迈克尔逊和莫雷的经典设计，将一束激光分到两个方向，分别反射回来后再通过干涉条纹来测量激光所走过的距离之间的细微差别。这里的关键是非常细微的距离之差需要被放大。放大的倍数，亦即干涉仪的灵敏度，主要取决于距离的长短。也就是说，干涉仪做得越大，就越能探测到镜子微小的振动。

韦斯在麻省理工学院摆弄他那个小模型时，已经意识到如果让激光在光源和镜子之间的长臂上不只是走一个来回，而是在光源附近再加一个镜子让光束多次来回发射，可以有效地将臂长放大好多倍，大大提高灵敏度。但这样也会带来激光在这过程中互相干扰，造成频率不稳定和散射损失等问题。

德瑞福却找到了一个别出心裁的解决方法。

早在十九世纪末，法国两位物理学家法布里（Charles Fabry）和珀罗（Alfred Perot）发现，如果把两块表面镀银的玻璃置放在非常接近的距离，可以观察到清晰的干涉条纹。这是因为光线在两面玻璃之间的狭缝里多次发射后过滤选出特定频率的光。频率与狭缝宽度相合的光在狭缝中稳定增强。在没有激光的年代，这是一个广为使用的光线实验手段。

德瑞福异想天开，将这个原本是狭小缝隙中的技巧用在几十米的干涉仪长臂上，把光源和镜子设计成一个超长的“法布里—珀罗谐振腔”。只要调整好臂的长度，使其固定为激光波长的整数倍，就可以有效地避免散射损失。为了保持这个谐振腔里激光的稳定性，他还借用了庞德早先在微波实验中稳定波频的一个技巧，与霍尔（John Hall）合作设计出一个负反馈电路，能够长期保证这个大型谐振腔中激光的稳定性。（霍尔后来因另外的精密光学技术获得2005年诺贝尔奖。）

这个叫做“庞德—德瑞福—霍尔”的技术不仅是探测引力波的激光干涉仪中最关键的技术突破之一，而且在整个光学领域获得了广泛的应用。

德瑞福与他的光学仪器。

难怪，当索恩准备在加州理工学院开张引力波探测时，韦斯、布拉金斯基等人都毫无保留地推荐了德瑞福。


1978年，索恩正式向德瑞福发出了加盟加州理工学院的邀请，却没有收到热情的回应。尽管加州的阳光海滩相对多雨的苏格兰有相当的优势，除了在哈佛呆过的那一年还从没有离开过家乡的德瑞福对走向新大陆缺乏信心。也许是因为有过与韦伯的不愉快，他对美国人的合作态度有很深的疑虑和不信任。

德瑞福这时候在格拉斯哥正得心应手，在自己的实验室里可以随心所欲，享有说一不二的特权。他深信这是他能够快速取得科研进展的原因和必需的前提条件。但加州理工学院也有吸引他的地方，那就是他在苏格兰绝对不可能想象的科研资金。最好的可能当然是鱼与熊掌兼得。于是德瑞福开出条件：他到加州后也必须是那里的绝对负责人，一切由他说了算。

索恩自己性格随和，没有多大异议。他们达成了一个临时的协议。在“试用期”中，德瑞福同时担任两个学校的职位，定期在两个校园之间穿梭，各服务一半时间。看看双方是否能彼此适应。

德瑞福抵达加州理工学院后果然不含糊，立刻就做出他第一个重大决定。索恩本来还对韦伯棒满怀希望，计划按照他与布拉金斯基研究出的改进方式继续尝试。德瑞福却不屑一顾，他已经在韦伯棒上浪费了5年的宝贵光阴，到加州来就是因为这里有钱可以玩大型的干涉仪。索恩不得不让步，放弃了韦伯棒。

这时已经是1980年代之初，世界各地的几个物理实验室在引力波干涉仪上开始了一场小小的“军备竞赛”。修建长距离的干涉仪，需要大功率的激光光源，需要维护更大的真空体积（为了减少环境干扰和空气对激光束的散射，整个光源、镜子、测量仪器以及它们之间激光束经过的路径都要密封在抽成真空的容器中），这些都需要相当的投资。而且，实验室还需要有足够大的地盘。

德瑞福在格拉斯哥大学只能勉强建造一个臂长10米的干涉仪。德国的比令资金多一点，他们在慕尼黑的普朗克天文研究所中找到一个挺大的花园，就在那上面建起一个30米长的干涉仪。加州理工学院财大气粗，有着自己学校提供的三百万美元。他们在校园东北角发现有一间很大的简易库房正好在闲置中，那里面可以容纳一个臂长40米的干涉仪。

莫斯科的布拉金斯基只能袖手旁观。苏联的经济已经开始捉襟见肘，即使有举国体制，也已经无法支持他加入这场游戏。他依然坚信自己的改进版韦伯棒，希望能尽快在那上面有所突破。同时，他和索恩在两个超级大国之间保持着经常互访的紧密联系，科研上可以互通有无。

被排挤到观众席上的还有韦斯。1973年他第一次向美国国家科学基金会申请资助被拒。因为材料和设计被“泄露”给欧洲同行，他后来一直在找基金会申诉，要求补偿。基金会在逐渐取消对韦伯的资助后也开始关注干涉仪，出于同情象征性地给了韦斯一点资助，也就只够他继续维护他那个臂长只有1.5米的桌上型“玩具”。

不过韦斯的眼光已经投向更遥远的未来。经过这么些年的积累，他已经看出，即使这些臂长有几十米的实验也不过是研制、调试各种仪器的排练场。要想测量到引力波，必须建造臂长达到几千米的真正“大家伙”。

而建造几千米长的干涉仪已经不是大学实验室里各自为战的“小作坊”方式所能胜任。尽管韦斯自己对高能物理领域正如火如荼的粒子加速器“大科学”模式深恶痛绝，他也知道那将是探测引力波不得不要走上的唯一通道。他成功地说服基金会专门拨了一笔款，资助他对几千米长的干涉仪进行技术和预算上的先期可行性考察。

于此同时，终于落实了他所需要的实验领军人物的索恩却异常地乐观。1981年5月6日，他与普林斯顿大学天文物理学家奥斯特里克（Jeremiah Ostriker）打了一个赌：人类会在2000年1月1日——新世纪来临——之前探测到引力波。那时候他还没意识到他会在这种有时间限制的赌约上伤痕累累。


（待续）

科普

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伽莫夫（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）


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