雷納·韋斯：耗盡半生追尋宇宙引力波的人

高榮偉

2017年10月3日，諾貝爾獎物理學(xué)獎揭曉，三位得主是來自美國的雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什（Barry Clark Barish）。他們的主要成就是通過LIGO科學(xué)合作組織首次探測到宇宙引力波。

其中，現(xiàn)年85歲的雷納·韋斯為這一重大發(fā)現(xiàn)作出了卓越貢獻。諾貝爾獎評選委員會說，LIGO的創(chuàng)始者之一、麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授雷納·韋斯在約40年前提出了探測引力波的方法，“在將理論及實驗物理學(xué)應(yīng)用于宇宙研究領(lǐng)域，韋斯教授卓有成效的工作，為‘捕捉到引力波發(fā)揮了至關(guān)重要的作用?！?/p>

紐約曼哈頓長大的調(diào)皮生

雷納·韋斯，1932年出生于德國柏林一個猶太家庭。在“二戰(zhàn)”前夕，為逃避德國的政治動蕩，他的父親做出了一個明智的決定——逃離德國，舉家搬往捷克斯洛伐克首都布拉格，繼而于1938年搬遷到了美國。

韋斯在紐約曼哈頓上西區(qū)長大，是一個擁有“工匠天賦和街頭智慧”的孩子。韋斯的父母一個是醫(yī)生一個是演員，雖然也算書香門第，但少年時代的小韋斯并沒有展現(xiàn)出對科研的特殊天賦。這個時候的韋斯酷愛古典音樂和電子產(chǎn)品，還是“一個快樂的喜歡擺弄小機械的人”。

小韋斯為小機械所吸引，其中一個重要原因出于對彌漫著崇尚知識濃厚氛圍的家庭的逆反心理。“韋斯是一個來自德國的小難民，其父母親有著極高的文化知識素養(yǎng)。韋斯會通過做這些小手工活反抗他們?！表f斯的兒子、歷史學(xué)家本杰明·韋斯幾十年后回憶說。不過，作為家里唯一的兒子，在某種程度上韋斯仍是家里的王子。比如，無論何時全家搬到新的公寓，韋斯總是能為自己爭取到最大的房間。

在學(xué)校里，韋斯并不是一名差生。“他很聰明，并且對所有事情都感興趣?！表f斯在哥倫比亞語法和預(yù)科學(xué)校的同學(xué)、如今已從杜克大學(xué)退休的心理學(xué)家邁克爾·華萊契（Michael Wallach）對此表示贊同?！绊f斯的科學(xué)能力在學(xué)校得到廣泛認(rèn)可?！比A萊契說。盡管他看上去確實像個街頭小混混，并且曾在一次街頭爭斗中被打折過腿。韋斯偶爾會逃課，不過，他肯定不會在街角閑逛，“他會到市政廳聽鋼琴獨奏會?！?/p>

韋斯走上科研道路有著不少機緣巧合。韋斯展現(xiàn)出過人的實驗動手能力是自紐約電影院的一場火災(zāi)后。這場突如其來的火災(zāi)使得紐約電影院的揚聲器等設(shè)備成了無主之物，而小韋斯就把這些無主之物“搬運”到自己的家里擺弄。

當(dāng)時，正值“二戰(zhàn)”結(jié)束后不久，許多原來軍用管控的變壓器、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”。他還會購買一些軍隊剩余的配件，搭配著滿大街找來的器材，然后在臥室“修理”。令人吃驚的是，他居然搗鼓出了不少質(zhì)量還算得上可以的無線電收音機，甚至高保真音響“設(shè)備”——高保真音響這個概念也許還沒出現(xiàn)的時候，韋斯就搗鼓出了這么一個玩意兒。

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，因為常常有人會慕名而來，圍坐在他的收音機旁收聽紐約愛樂樂團的演奏。小韋斯甚至一度同街上到處流浪、無事生非的小混混們達成協(xié)議：街上的小混混們在韋斯往返于地鐵站撿拾收音機和其他廢棄物件時，如果睜一只眼閉一只眼，韋斯會幫助他們免費修理收音機。

長大后的韋斯有時候會這樣開玩笑說：“年少時，如果沒有選擇科學(xué)，也許我會成長為一個音響業(yè)大賈?！笔聦嵶C明，驅(qū)使他走進大學(xué)，并走進科學(xué)殿堂的，正是這段DIY（修理設(shè)備時不請專家，自己動手，居家制作）的經(jīng)歷。

不過，小韋斯發(fā)現(xiàn)，靠他半吊子的數(shù)學(xué)水平，終歸無法解決自制留聲機的刺耳噪聲問題。這是他決心報考麻省理工學(xué)院（MIT）的一個直接動因?！爸钡竭M入麻省理工的理工科學(xué)習(xí)的時候，我才知其然，也知其了所以然?！?/p>

韋斯的大學(xué)生活并非一帆風(fēng)順。年輕氣盛的韋斯在大學(xué)期間墜入了愛河，一度為了愛情沖動地選擇退學(xué)。不過，他很快又重返麻省理工學(xué)院。23歲這一年，韋斯獲得麻省理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位，不久，他又獲得該學(xué)院博士學(xué)位。在塔夫茨大學(xué)（Tufts University）和普林斯頓大學(xué)工作一段時間后，1964年，雷納·韋斯擔(dān)任MIT物理學(xué)教授，一直延續(xù)至今日。

一項來自韋斯教授設(shè)計的課堂練習(xí)

在此后長達近半個世紀(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。他為了尋找引力波，長期致力于LIGO研究。這是他曾經(jīng)嘗試過的最大膽的試驗之一。

所謂引力波，打個比喻，如同石頭丟進水里產(chǎn)生的波紋，它是一種在時空中蕩起的漣漪。早在1915年，愛因斯坦在其廣義相對論中提出，時間和空間在質(zhì)量面前會彎曲，時空在伸展和壓縮的過程中，會產(chǎn)生振動傳播開來，這些振動就是引力波。愛因斯坦預(yù)言，強引力場事件可產(chǎn)生引力波，比如黑洞合并、脈沖星自轉(zhuǎn)以及超新星爆發(fā)等。愛因斯坦指出，引力波以光速傳播，并且在宇宙中無處不在。它們總是來自有質(zhì)量物體的加速過程，例如當(dāng)兩個黑洞繞著彼此旋轉(zhuǎn)的過程。

就人類居住的地球來說，隨時隨地都可能遭遇來自宇宙中各種源頭的引力波：兩個黑洞合并、中子星自轉(zhuǎn)、超新星核塌縮等。然而，即使是像黑洞這樣巨大質(zhì)量的系統(tǒng)相互碰撞、合并，產(chǎn)生的引力波信號傳遞到地球的時候也是很微弱的。就連愛因斯坦本人也想象不到，能通過什么樣的方法探測到引力波。

盡管愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在，但科學(xué)界長期沒能探測到它。愛因斯坦曾一度確信，“引力波永遠不可能被測量出來”。當(dāng)年，愛因斯坦曾指著他的引力公式說道：“我們所研究的數(shù)字和維度都太小了，小到不會對任何事物造成影響，也沒有人能夠測量?！睂Υ耍f斯后來指出，“當(dāng)你回想1916年的技術(shù)條件時，愛因斯坦可能是正確的?！眅ndprint

LIGO的故事始于20世紀(jì)60年代。馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）認(rèn)為，“如今，從當(dāng)下的技術(shù)條件來看，我們已經(jīng)具備了探尋引力波的各種必須條件”，他發(fā)明了一種探測引力波的方法，想象有一種具有極大質(zhì)量類似木琴的東西，稱為諧振棒（韋伯棒），當(dāng)有引力波穿過時，諧振棒會在不同方向上被拉伸和壓縮，同時產(chǎn)生一個脈沖信號。當(dāng)引力波的頻率恰好和諧振棒本身的特征頻率相符的時候，則會產(chǎn)生可被探測到的聲音。不久，韋伯宣布他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了引力波。

此時，雷納·韋斯正在麻省理工學(xué)院任教?！拔以诮淌谡n程時，學(xué)生也很有興趣去了解這方面的知識。說實話，當(dāng)時我覺得可能一輩子都弄不明白韋伯在做什么，這就是問題所在?！薄耙驗檫@與我當(dāng)時對廣義相對論所有的認(rèn)知相左，所以我也無法向?qū)W生解釋?！边@就是雷納·韋斯一開始研究引力波時的窘境。

直到一年后，韋斯教授意識到韋伯的實驗可能“有些問題”，因為其他人都沒有得出他的結(jié)論?；蛟S是他的實驗方法有問題，甚至是整個理論體系都出了問題。

雷納·韋斯教授思索：用什么方式才能夠最簡單地向?qū)W生展示引力波的影響呢？一個很顯然的方案是：對在太空自由飄動的物體，測量光線在它們之間往返所需的時間。如果存在引力波，光傳遞的時間會有變化。通過對傳遞時間差異的觀察，可以測量引力波的振幅。“這一過程的公式很容易編寫，班里的絕大多數(shù)學(xué)生都能做到——請忽略當(dāng)時并沒有精密儀器去做測量，而僅僅停留在腦力實驗這一事實。”韋斯教授補充道。

一個夏天，韋斯教授在一棟“膠合板宮殿”的小樓房里，久久思索著尋找引力波的方法。他回憶說：“突然間，我的腦海里產(chǎn)生了一束白光——激光，對！就是激光！是不是可以考慮使用激光來探測宇宙之中的引力波？”答案是肯定的，激光絕對是一種比韋伯的方式更有力的驗證手段！對此，韋斯教授堅信不疑。很快，韋斯教授發(fā)明了干涉引力波探測器，并聯(lián)合創(chuàng)立了美國國家科學(xué)基金會LIGO項目。

LIGO項目很快由理論變成了實踐。為“捕獲”引力波，美國國家自然科學(xué)基金會于20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“激光干涉引力波天文臺”（Laser Interferometer GravitationalWave Observatory，LIGO）。LIGO系統(tǒng)由這兩個相距1865英里，且完全相同的探測器組成。這兩臺LIGO干涉儀在一起工作構(gòu)成一個觀測所。

LIGO激光干涉引力波探測儀的基本思路是這樣的：兩條長度相同的探測臂呈L型放置，在L中間的拐點處放置激光源，沿兩條管子各發(fā)射一束激光，而在兩臂的末端放置一面鏡子來反射激光。在真空中，兩條同時發(fā)射的光束應(yīng)該同時返回中間拐點相逢，在干涉作用下，光束不會抵達光電探測器。但如果有引力波穿過探測儀，兩條真空管中的空間會出現(xiàn)微小的拉伸與壓縮，兩條光束就會出現(xiàn)光程差。根據(jù)愛因斯坦在100年前提出的理論，引力波會導(dǎo)致兩個真空管中的空間出現(xiàn)極其微小的拉伸與壓縮，由此破壞了它們原有的完美平衡，從而使光線外泄到光電探測器上。

迄今為止，LIGO已匯集了來自美國本土的大學(xué)，如麻省理工學(xué)院，以及來自全球15個國家、超過950位的科學(xué)家。但很難想象，在約50前，LIGO僅僅是麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授雷納·韋斯設(shè)計的一項課堂練習(xí)。

天文學(xué)終于有了自己的耳朵

自20世紀(jì)60年代開始，科學(xué)家們花了近半個世紀(jì)搜尋引力波，但是一直沒能找到。引力波成為世界自然科學(xué)中最大的一塊缺失的拼圖。但是科學(xué)家們相信引力波的存在。在物理學(xué)圈內(nèi)，人們普遍認(rèn)為，誰能發(fā)現(xiàn)他，誰就一定能夠得到諾貝爾物理學(xué)獎。

2015年，一百年前曾被阿爾伯特·愛因斯坦所預(yù)言的宇宙引力波第一次被探測到了。這年的9月14日，據(jù)當(dāng)?shù)孛襟w報道，美國“位于華盛頓州和路易斯安娜州的兩臺LIGO探測器完成升級，剛剛開始運行的幾分鐘時間內(nèi)就幸運地探測到了第一例編號為GW150914的引力波”。這一發(fā)現(xiàn)被稱作“上帝的禮物”。

當(dāng)時，1000名利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）開展研究的物理學(xué)家，在兩個星級質(zhì)量的黑洞位于距地球差不多10億光年的地方相互圍繞著旋轉(zhuǎn)時，探測到了其輻射出的脈沖波?！皟蓚€黑洞在數(shù)千萬年間相互繞轉(zhuǎn)，不斷地釋放出引力波。它們之間的距離越來越近，最終在短短零點幾秒的時間里猛烈碰撞，融合在一起，形成一個新的黑洞。融合瞬間釋放的能量增強了引力波?！薄坝钪嬷羞@兩個黑洞發(fā)生碰撞之后，所產(chǎn)生的引力波跨越漫長時空，它們經(jīng)過13億年的長途跋涉才到達了美國的LIGO探測器?！笨茖W(xué)家們在接受采訪時如是描述。“我們在地球上聽到的，就像是宇宙的啁啾信號在一瞬間的增強之后，戛然而止。”

2016年2月，LIGO團隊向全世界宣布，成功探測到來自兩個黑洞合并的引力波信號。雷納·韋斯是當(dāng)時參與新聞發(fā)布會宣布上述消息的四位科學(xué)家之一。韋斯說：“此次引力波的發(fā)現(xiàn)，非常完美地印證了愛因斯坦在100年前的預(yù)言。如果現(xiàn)在我們有機會告訴他，今天我們已經(jīng)找到了他曾經(jīng)認(rèn)為人類永遠也不可能探測到的宇宙引力波，我真想看看他臉上突然閃現(xiàn)的那種驚喜的表情。”韋斯還感慨道：“愛因斯坦是對的，這是多么了不起的洞察力和直覺。”

盡管經(jīng)過長途跋涉，到達地球時引力波信號已極其微弱，但足以有希望掀起一場天體物理學(xué)的革命。“引力波是人類觀測宇宙中最劇烈事件（黑洞融合）的全新方法，也是檢驗人類知識極限的新途徑。”哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授紹博爾齊·馬爾卡認(rèn)為，人類在捕捉到引力波以前的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，都好似“眼睛”，而引力波的發(fā)現(xiàn)則意味著人類從此長了“耳朵”。他表示，引力波本身攜帶了大量可資研究的信息，它的發(fā)現(xiàn)會幫助科研人員進一步探究黑洞的奧秘。endprint

就在媒體紛紛為雷納·韋斯等人的發(fā)現(xiàn)報道的時候，不少人注意到，為了探測到引力波，在長期研究過程中，雷納·韋斯教授付出了頑強和不懈的努力。實際上，當(dāng)韋斯獲知引力波終于被探測的消息時，第一反應(yīng)并不是欣喜若狂，而是長出了一口氣：“用激光干涉測量引力波的方案是我一手策劃的，萬一在哪里出了什么差錯，就是上千人，上十億美元跟著我瞎折騰了一回??！”

20世紀(jì)90年代初期，當(dāng)美國國家自然科學(xué)基金投重金開工建造LIGO的時候，與之相伴而來的是不停的質(zhì)疑聲音，不少人懷疑，“這么多經(jīng)費投入進去，究竟能否獲得科學(xué)上的成功·”“LIGO項目使用巨大的激光干涉儀，在引力波通過地球時，要探測到比原子核還要小很多的變化，這的確有點匪夷所思！”在一片反對聲中，1993年，美國自然科學(xué)基金甚至一度暫停了原計劃的4300萬美元的巨額投資。

1994年，科學(xué)家巴里接手LIGO時，LIGO項目由于內(nèi)部離心而岌岌可危。然而，這一切都不能動搖雷納·韋斯對于探測宇宙引力波的信心。雷納·韋斯和基普·索恩都堅信，引力波可以被檢測出來，并終將帶來一場人類對宇宙認(rèn)識的革命。

雷納·韋斯等人的努力和堅守，終于有了2015年引力波的首度被發(fā)現(xiàn)。

2016年9月27日，邵逸夫天文學(xué)獎授予雷納·韋斯與羅奈爾特·德雷弗、基普·索恩，以表彰他們“對LIGO的構(gòu)思和設(shè)計”。2017年10月3日，雷納·韋斯教授摘取2017年度諾貝爾物理學(xué)獎。

學(xué)界普遍認(rèn)為，LIGO直接觀測到引力波，為天文探索開創(chuàng)了一個新方法，而它首先檢測到引力波存在這一偉大事實，不僅開啟了人類探索宇宙的一扇大門，而且有可能進一步揭開宇宙誕生早期的奧秘。諾貝爾物理學(xué)獎評選委員會成員安德斯·伊勒貝克說，引力波為人類探索宇宙提供了全新的觀察方法，未來可能會有更多新的發(fā)現(xiàn)。“到目前為止，各種各樣的電磁輻射和粒子——例如宇宙射線或中微子——都已經(jīng)被用來探索宇宙。然而，引力波直接證明了時空自身的擾動。這是完全嶄新而且不同的東西，打開了以往無法看到的世界?！?p>

當(dāng)獲知自己獲得諾貝爾獎的消息時，韋斯說：“猛然之間，我感到一種巨大的解脫，內(nèi)心產(chǎn)生了一種莫名的喜悅，仔細想來，那事實上更多的是一種解脫?！薄伴L時期以來，我隱隱感到，有一只猴子坐在我的肩上，這種感覺已經(jīng)長達40余年?！薄斑@只猴子一直在我耳邊，不停地嘮叨，說：‘嗯，難道說這真的能夠取得成功？不要幻想了。請你清醒一下吧！你已經(jīng)把一大堆人拉了進來，如果它是錯誤的呢？突然，這只猴子跳走了，對我而言，這的的確確是一種巨大的解脫。”endprint