追逐宇宙引力波的人

文/高榮偉

工匠天賦和街頭智慧，引領(lǐng)他走向成功。

曼哈頓長(zhǎng)大的調(diào)皮生

雷納·韋斯出生于德國(guó)柏林一個(gè)猶太家庭，二戰(zhàn)前夕，為逃避德國(guó)的政治動(dòng)蕩，舉家搬往布拉格，繼而在1938年搬遷到了美國(guó)。

韋斯在紐約曼哈頓上西區(qū)長(zhǎng)大，是一個(gè)擁有“工匠天賦和街頭智慧”的孩子。盡管韋斯偶爾會(huì)逃課，看上去也確實(shí)像個(gè)街頭小混混，并且曾在一次街頭爭(zhēng)斗中被打折過(guò)腿，但韋斯并不是一名差生。“他很聰明，對(duì)所有事情都感興趣。韋斯的科學(xué)能力在學(xué)校受到廣泛認(rèn)可。”韋斯在哥倫比亞語(yǔ)法和預(yù)科學(xué)校的同學(xué)、已從杜克大學(xué)退休的心理學(xué)家邁克爾·華萊契如是說(shuō)。

韋斯走上科研道路有著不少機(jī)緣巧合。韋斯展現(xiàn)出過(guò)人的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，最初是在電影院里的一場(chǎng)火災(zāi)后。這場(chǎng)突如其來(lái)的火災(zāi)使得電影院里的揚(yáng)聲器等設(shè)備成了無(wú)主之物，而韋斯把這些無(wú)主之物搬運(yùn)到自己的家里擺弄。

此時(shí)，正值二戰(zhàn)結(jié)束不久，許多原來(lái)軍用管控的變壓器、真空管等物資一下子堆積成山。這些電子器件都成了他的“囊中之物”。他還會(huì)購(gòu)買一些軍隊(duì)剩余的配件，搭配著滿大街找來(lái)的器材，然后在臥室修理。令人吃驚的是，他居然搗鼓出不少質(zhì)量出眾的無(wú)線電收音機(jī)，以及高保真音響設(shè)備——高保真音響這個(gè)概念還沒(méi)出現(xiàn)的時(shí)候，韋斯就搗鼓出了這么一個(gè)東西。

憑借著自己的手藝，韋斯在紐約的猶太人圈子里漸漸小有名氣，因?yàn)槌３Ｓ腥四矫鴣?lái)，圍坐在他的收音機(jī)旁收聽(tīng)紐約愛(ài)樂(lè)樂(lè)團(tuán)的演奏。韋斯甚至一度同當(dāng)?shù)貝汗鬟_(dá)成協(xié)議：如果他們?cè)谒涤诘罔F站搬運(yùn)收音機(jī)時(shí)能置之不理，他便會(huì)幫其修理收音機(jī)。

驅(qū)使他走進(jìn)大學(xué)并走進(jìn)科學(xué)殿堂的，正是這段DIY的經(jīng)歷。韋斯發(fā)現(xiàn)，靠他半吊子的數(shù)學(xué)水平，總是無(wú)法解決自制留聲機(jī)的刺耳噪聲問(wèn)題。這是他決心報(bào)考麻省理工學(xué)院的一個(gè)直接動(dòng)因?！爸钡竭M(jìn)入麻省理工學(xué)習(xí)的時(shí)候，我才知其然，也知其所以然?！?/p>

年輕氣盛的韋斯在大學(xué)期間墜入愛(ài)河，并為了愛(ài)情沖動(dòng)地選擇退學(xué)。不過(guò)，他很快又重返麻省理工學(xué)院，最終取得博士學(xué)位。在塔夫茨大學(xué)和普林斯坦大學(xué)工作一段時(shí)間后，1964年，韋斯擔(dān)任麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授，一直至今。

韋斯設(shè)計(jì)的課堂練習(xí)

在此后長(zhǎng)達(dá)近半個(gè)世紀(jì)的科研道路上，韋斯為自己贏得了全球著名物理學(xué)家的聲譽(yù)，并且為了尋找引力波，長(zhǎng)期致力于LIGO研究。

早在1915年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)言了引力波的存在，但就連愛(ài)因斯坦本人也想象不到，能通過(guò)什么樣的方法探測(cè)到引力波。

20世紀(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯認(rèn)為“如今尋找引力波需要的技術(shù)條件可能已經(jīng)具備”，并發(fā)明了一種探測(cè)方法。他想象有一種具有極大質(zhì)量類似木琴的東西，稱為諧振棒（也稱韋伯棒），當(dāng)有引力波穿過(guò)時(shí)，諧振棒會(huì)在不同方向被拉伸和壓縮，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。當(dāng)引力波的頻率恰好和諧振棒的頻率相符時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生可被探測(cè)到的聲音。這是尋找引力波的第一個(gè)實(shí)踐，韋伯當(dāng)時(shí)宣稱發(fā)現(xiàn)了引力波。

此時(shí)，韋斯正在麻省理工學(xué)院任教。“我在教授課程時(shí)，學(xué)生也很有興趣去了解這方面的知識(shí)。說(shuō)實(shí)話，當(dāng)時(shí)我覺(jué)得可能一輩子都弄不明白韋伯在做什么。因?yàn)檫@與我當(dāng)時(shí)對(duì)廣義相對(duì)論所有的認(rèn)知相左，所以我也無(wú)法向?qū)W生解釋?！边@就是韋斯一開(kāi)始研究引力波時(shí)的窘境。

直到一年后，韋斯才意識(shí)到韋伯的實(shí)驗(yàn)可能“有些問(wèn)題”，因?yàn)槠渌硕紱](méi)有得出他的結(jié)論?；蛟S是韋伯的實(shí)驗(yàn)方法有問(wèn)題，甚至是整個(gè)理論體系都出了問(wèn)題。

韋斯思索：用什么方式能夠最簡(jiǎn)單地向?qū)W生展示引力波的影響呢？一個(gè)很顯然的方案是：對(duì)在太空自由飄動(dòng)的物體，測(cè)量光線在它們之間往返所需的時(shí)間。如果存在引力波，光傳遞的時(shí)間會(huì)有變化。通過(guò)對(duì)傳遞時(shí)間差異的觀察，可以測(cè)量引力波的振幅?！斑@一過(guò)程的公式很容易編寫，絕大多數(shù)學(xué)生都能做到——請(qǐng)忽略當(dāng)時(shí)并沒(méi)有精密儀器去做測(cè)量，而僅僅停留在腦力實(shí)驗(yàn)這一事實(shí)?！表f斯補(bǔ)充道。

韋斯坐在被稱為“膠合板宮殿”、位于瓦薩大街20號(hào)樓的一個(gè)小房間內(nèi)，花了一整個(gè)夏天研究他的想法?！拔蚁氲搅思す?，我們是否真能用它來(lái)探測(cè)引力波？”答案是肯定的，激光絕對(duì)是一種比韋伯的方式更有力的驗(yàn)證手段。很快，韋斯發(fā)明了干涉引力波探測(cè)器，并聯(lián)合創(chuàng)立了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)LIGO項(xiàng)目。

LIGO項(xiàng)目很快由理論變成了實(shí)踐。為“捕獲”引力波，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)于上世紀(jì)90年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個(gè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”。迄今為止，LIGO已匯集了來(lái)自美國(guó)本土的大學(xué)，以及來(lái)自全球15個(gè)國(guó)家、超過(guò)950位的科學(xué)家。很難想象，50年前，LIGO僅僅是韋斯設(shè)計(jì)的一項(xiàng)課堂練習(xí)。

天文學(xué)有了“耳朵”

當(dāng)美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金投重金開(kāi)工建造LIGO時(shí)，與之相伴而來(lái)的是不停的質(zhì)疑和反對(duì)聲音。然而，這一切都不能動(dòng)搖韋斯對(duì)于探測(cè)宇宙引力波的信心。

2015年9月14日，美國(guó)位于華盛頓州和路易斯安那州的兩臺(tái)LIGO探測(cè)器完成升級(jí)，剛剛開(kāi)始運(yùn)行的幾分鐘內(nèi)就幸運(yùn)地探測(cè)到了第一例編號(hào)為GW150914的引力波。這一發(fā)現(xiàn)被稱作“上帝的禮物”。

2016年2月，LIGO團(tuán)隊(duì)向全世界宣布，成功探測(cè)到來(lái)自于兩個(gè)星級(jí)質(zhì)量的黑洞合并的引力波信號(hào)。韋斯是參與新聞發(fā)布會(huì)宣布上述消息的四位科學(xué)家之一，他說(shuō)：“引力波的發(fā)現(xiàn)漂亮地印證了愛(ài)因斯坦在100年前的預(yù)言。如果我們有機(jī)會(huì)告訴他這件事，我真想看看他臉上的表情。”韋斯感慨道：“愛(ài)因斯坦是對(duì)的，這是多么了不起的洞察力和直覺(jué)?！?/p>

盡管經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉，到達(dá)地球時(shí)引力波信號(hào)已極其微弱，但足以有希望掀起一場(chǎng)天體物理學(xué)的革命。“引力波是人類觀測(cè)宇宙中最劇烈事件（黑洞融合）的全新方法，也是檢驗(yàn)人類知識(shí)極限的新途徑?！痹诟鐐惐葋喆髮W(xué)物理學(xué)教授紹博爾齊·馬爾卡看來(lái)，人類此前的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)都好似“眼睛”，而引力波的發(fā)現(xiàn)意味著人類長(zhǎng)了“耳朵”。他表示，引力波攜帶大量信息，它的發(fā)現(xiàn)可幫助科研人員更好地了解黑洞。

學(xué)界普遍認(rèn)為，引力波的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)和天文學(xué)的一項(xiàng)重大突破。LIGO直接觀測(cè)到引力波，為天文探索開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新方法，而它首先偵測(cè)到的非凡事例，開(kāi)啟了人類探索宇宙的一扇大門，甚至可能揭開(kāi)宇宙誕生早期的奧秘。

當(dāng)獲知自己獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的消息時(shí)，韋斯說(shuō)∶“我感到一種巨大的解脫和喜悅，但其實(shí)更多是解脫。有一只猴子坐在我的肩上長(zhǎng)達(dá)40余年，它一直在我耳邊嘮叨，說(shuō)：嗯，你怎么知道這真的能夠成功？你已經(jīng)把一大堆人拉了進(jìn)來(lái)，但如果是錯(cuò)誤呢？突然，它跳走了，這實(shí)在是巨大的解脫?！?/p>