追逐宇宙引力波的人

文/高榮偉

工匠天賦和街頭智慧，引領他走向成功。

曼哈頓長大的調皮生

雷納·韋斯出生于德國柏林一個猶太家庭，二戰前夕，為逃避德國的政治動蕩，舉家搬往布拉格，繼而在1938年搬遷到了美國。

韋斯在紐約曼哈頓上西區長大，是一個擁有“工匠天賦和街頭智慧”的孩子。盡管韋斯偶爾會逃課，看上去也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，但韋斯并不是一名差生。“他很聰明，對所有事情都感興趣。韋斯的科學能力在學校受到廣泛認可?！表f斯在哥倫比亞語法和預科學校的同學、已從杜克大學退休的心理學家邁克爾·華萊契如是說。

韋斯走上科研道路有著不少機緣巧合。韋斯展現出過人的實驗動手能力，最初是在電影院里的一場火災后。這場突如其來的火災使得電影院里的揚聲器等設備成了無主之物，而韋斯把這些無主之物搬運到自己的家里擺弄。

此時，正值二戰結束不久，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，他居然搗鼓出不少質量出眾的無線電收音機，以及高保真音響設備——高保真音響這個概念還沒出現的時候，韋斯就搗鼓出了這么一個東西。

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，因為常常有人慕名而來，圍坐在他的收音機旁收聽紐約愛樂樂團的演奏。韋斯甚至一度同當地惡棍達成協議：如果他們在他往返于地鐵站搬運收音機時能置之不理，他便會幫其修理收音機。

驅使他走進大學并走進科學殿堂的，正是這段DIY的經歷。韋斯發現，靠他半吊子的數學水平，總是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院的一個直接動因?！爸钡竭M入麻省理工學習的時候，我才知其然，也知其所以然。”

年輕氣盛的韋斯在大學期間墜入愛河，并為了愛情沖動地選擇退學。不過，他很快又重返麻省理工學院，最終取得博士學位。在塔夫茨大學和普林斯坦大學工作一段時間后，1964年，韋斯擔任麻省理工學院物理學教授，一直至今。

韋斯設計的課堂練習

在此后長達近半個世紀的科研道路上，韋斯為自己贏得了全球著名物理學家的聲譽，并且為了尋找引力波，長期致力于LIGO研究。

早在1915年，愛因斯坦在廣義相對論中預言了引力波的存在，但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。

20世紀60年代，馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯認為“如今尋找引力波需要的技術條件可能已經具備”，并發明了一種探測方法。他想象有一種具有極大質量類似木琴的東西，稱為諧振棒（也稱韋伯棒），當有引力波穿過時，諧振棒會在不同方向被拉伸和壓縮，同時產生一個脈沖信號。當引力波的頻率恰好和諧振棒的頻率相符時，就會產生可被探測到的聲音。這是尋找引力波的第一個實踐，韋伯當時宣稱發現了引力波。

此時，韋斯正在麻省理工學院任教?！拔以诮淌谡n程時，學生也很有興趣去了解這方面的知識。說實話，當時我覺得可能一輩子都弄不明白韋伯在做什么。因為這與我當時對廣義相對論所有的認知相左，所以我也無法向學生解釋?！边@就是韋斯一開始研究引力波時的窘境。

直到一年后，韋斯才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論?；蛟S是韋伯的實驗方法有問題，甚至是整個理論體系都出了問題。

韋斯思索：用什么方式能夠最簡單地向學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?！斑@一過程的公式很容易編寫，絕大多數學生都能做到——請忽略當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。”韋斯補充道。

韋斯坐在被稱為“膠合板宮殿”、位于瓦薩大街20號樓的一個小房間內，花了一整個夏天研究他的想法?！拔蚁氲搅思す猓覀兪欠裾婺苡盟鼇硖綔y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。很快，韋斯發明了干涉引力波探測器，并聯合創立了美國國家科學基金會LIGO項目。

LIGO項目很快由理論變成了實踐。為“捕獲”引力波，美國國家自然科學基金會于上世紀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”。迄今為止，LIGO已匯集了來自美國本土的大學，以及來自全球15個國家、超過950位的科學家。很難想象，50年前，LIGO僅僅是韋斯設計的一項課堂練習。

天文學有了“耳朵”

當美國國家自然科學基金投重金開工建造LIGO時，與之相伴而來的是不停的質疑和反對聲音。然而，這一切都不能動搖韋斯對于探測宇宙引力波的信心。

2015年9月14日，美國位于華盛頓州和路易斯安那州的兩臺LIGO探測器完成升級，剛剛開始運行的幾分鐘內就幸運地探測到了第一例編號為GW150914的引力波。這一發現被稱作“上帝的禮物”。

2016年2月，LIGO團隊向全世界宣布，成功探測到來自于兩個星級質量的黑洞合并的引力波信號。韋斯是參與新聞發布會宣布上述消息的四位科學家之一，他說：“引力波的發現漂亮地印證了愛因斯坦在100年前的預言。如果我們有機會告訴他這件事，我真想看看他臉上的表情?！表f斯感慨道：“愛因斯坦是對的，這是多么了不起的洞察力和直覺?！?/p>

盡管經過長途跋涉，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的革命?！耙Σㄊ侨祟愑^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。”在哥倫比亞大學物理學教授紹博爾齊·馬爾卡看來，人類此前的天文學發現都好似“眼睛”，而引力波的發現意味著人類長了“耳朵”。他表示，引力波攜帶大量信息，它的發現可幫助科研人員更好地了解黑洞。

學界普遍認為，引力波的發現是物理學和天文學的一項重大突破。LIGO直接觀測到引力波，為天文探索開創了一個新方法，而它首先偵測到的非凡事例，開啟了人類探索宇宙的一扇大門，甚至可能揭開宇宙誕生早期的奧秘。

當獲知自己獲得諾貝爾物理學獎的消息時，韋斯說∶“我感到一種巨大的解脫和喜悅，但其實更多是解脫。有一只猴子坐在我的肩上長達40余年，它一直在我耳邊嘮叨，說：嗯，你怎么知道這真的能夠成功？你已經把一大堆人拉了進來，但如果是錯誤呢？突然，它跳走了，這實在是巨大的解脫?！?/p>