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(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，三位得主是來自美國(guó)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(cè)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(xiàn)。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)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(cè)引力波的方法，“在將理論及實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)大的調(diào)皮生

雷納·韋斯，1932年出生于德國(guó)柏林一個(gè)猶太家庭。在“二戰(zhàn)”前夕，為逃避德國(guó)的政治動(dòng)蕩，他的父親做出了一個(gè)明智的決定——逃離德國(guó)，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(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。韋斯的父母一個(gè)是醫(yī)生一個(gè)是演員，雖然也算書香門第，但少年時(shí)代的小韋斯并沒有展現(xiàn)出對(duì)科研的特殊天賦。這個(gè)時(shí)候的韋斯酷愛古典音樂和電子產(chǎn)品，還是“一個(gè)快樂的喜歡擺弄小機(jī)械的人”。

小韋斯為小機(jī)械所吸引，其中一個(gè)重要原因出于對(duì)彌漫著崇尚知識(shí)濃厚氛圍的家庭的逆反心理?！绊f斯是一個(gè)來自德國(guó)的小難民，其父母親有著極高的文化知識(shí)素養(yǎng)。韋斯會(huì)通過做這些小手工活反抗他們。”韋斯的兒子、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(shí)全家搬到新的公寓，韋斯總是能為自己爭(zhēng)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(duì)所有事情都感興趣。”韋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(duì)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(shí)像個(gè)街頭小混混，并且曾在一次街頭爭(zhēng)斗中被打折過腿。韋斯偶爾會(huì)逃課，不過，他肯定不會(huì)在街角閑逛，“他會(huì)到市政廳聽鋼琴獨(dú)奏會(huì)?！?/p>

韋斯走上科研道路有著不少機(jī)緣巧合。韋斯展現(xiàn)出過人的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力是自紐約電影院的一場(chǎng)火災(zāi)后。這場(chǎng)突如其來的火災(zāi)使得紐約電影院的揚(yáng)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(yùn)”到自己的家里擺弄。

當(dāng)時(shí)，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(huì)購(gòu)買一些軍隊(duì)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(jī)，甚至高保真音響“設(shè)備”——高保真音響這個(gè)概念也許還沒出現(xiàn)的時(shí)候，韋斯就搗鼓出了這么一個(gè)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?yàn)槌３Ｓ腥藭?huì)慕名而來，圍坐在他的收音機(jī)旁收聽紐約愛樂樂團(tuán)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(dá)成協(xié)議：街上的小混混們?cè)陧f斯往返于地鐵站撿拾收音機(jī)和其他廢棄物件時(shí)，如果睜一只眼閉一只眼，韋斯會(huì)幫助他們免費(fèi)修理收音機(jī)。

長(zhǎng)大后的韋斯有時(shí)候會(huì)這樣開玩笑說：“年少時(shí)，如果沒有選擇科學(xué)，也許我會(huì)成長(zhǎng)為一個(gè)音響業(yè)大賈?！笔聦?shí)證明，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（修理設(shè)備時(shí)不請(qǐng)專家，自己動(dòng)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(jī)的刺耳噪聲問題。這是他決心報(bào)考麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)直接動(dòng)因?！爸钡竭M(jìn)入麻省理工的理工科學(xué)習(xí)的時(shí)候，我才知其然，也知其了所以然。”

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(dòng)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(shí)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(xiàng)來自韋斯教授設(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)。他為了尋找引力波，長(zhǎng)期致力于LIGO研究。這是他曾經(jīng)嘗試過的最大膽的試驗(yàn)之一。

所謂引力波，打個(gè)比喻，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋，它是一種在時(shí)空中蕩起的漣漪。早在1915年，愛因斯坦在其廣義相對(duì)論中提出，時(shí)間和空間在質(zhì)量面前會(huì)彎曲，時(shí)空在伸展和壓縮的過程中，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)傳播開來，這些振動(dòng)就是引力波。愛因斯坦預(yù)言，強(qiáng)引力場(chǎng)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(gè)黑洞繞著彼此旋轉(zhuǎn)的過程。

就人類居住的地球來說，隨時(shí)隨地都可能遭遇來自宇宙中各種源頭的引力波：兩個(gè)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(hào)傳遞到地球的時(shí)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(cè)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(zhǎng)期沒能探測(cè)到它。愛因斯坦曾一度確信，“引力波永遠(yuǎn)不可能被測(cè)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(huì)對(duì)任何事物造成影響，也沒有人能夠測(cè)量?！睂?duì)此，韋斯后來指出，“當(dāng)你回想1916年的技術(shù)條件時(shí)，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(cè)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(shí)，諧振棒會(huì)在不同方向上被拉伸和壓縮，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本身的特征頻率相符的時(shí)候，則會(huì)產(chǎn)生可被探測(cè)到的聲音。不久，韋伯宣布他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了引力波。

此時(shí)，雷納·韋斯正在麻省理工學(xué)院任教?！拔以诮淌谡n程時(shí)，學(xué)生也很有興趣去了解這方面的知識(shí)。說實(shí)話，當(dāng)時(shí)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?yàn)檫@與我當(dāng)時(shí)對(duì)廣義相對(duì)論所有的認(rèn)知相左，所以我也無法向?qū)W生解釋?！边@就是雷納·韋斯一開始研究引力波時(shí)的窘境。

直到一年后，韋斯教授意識(shí)到韋伯的實(shí)驗(yàn)可能“有些問題”，因?yàn)槠渌硕紱]有得出他的結(jié)論?；蛟S是他的實(shí)驗(yàn)方法有問題，甚至是整個(gè)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(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(qǐng)忽略當(dāng)時(shí)并沒有精密儀器去做測(cè)量，而僅僅停留在腦力實(shí)驗(yàn)這一事實(shí)。”韋斯教授補(bǔ)充道。

一個(gè)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(duì)！就是激光！是不是可以考慮使用激光來探測(cè)宇宙之中的引力波？”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！對(duì)此，韋斯教授堅(jiān)信不疑。很快，韋斯教授發(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(gè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（Laser Interferometer GravitationalWave Observatory，LIGO）。LIGO系統(tǒng)由這兩個(gè)相距1865英里，且完全相同的探測(cè)器組成。這兩臺(tái)LIGO干涉儀在一起工作構(gòu)成一個(gè)觀測(cè)所。

LIGO激光干涉引力波探測(cè)儀的基本思路是這樣的：兩條長(zhǎng)度相同的探測(cè)臂呈L型放置，在L中間的拐點(diǎn)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(shí)發(fā)射的光束應(yīng)該同時(shí)返回中間拐點(diǎn)相逢，在干涉作用下，光束不會(huì)抵達(dá)光電探測(cè)器。但如果有引力波穿過探測(cè)儀，兩條真空管中的空間會(huì)出現(xiàn)微小的拉伸與壓縮，兩條光束就會(huì)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(huì)導(dǎo)致兩個(gè)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?cè)械耐昝榔胶猓瑥亩构饩€外泄到光電探測(cè)器上。

迄今為止，LIGO已匯集了來自美國(guó)本土的大學(xué)，如麻省理工學(xué)院，以及來自全球15個(gè)國(guó)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(jì)的一項(xiàng)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(gè)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(jiǎng)。

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(cè)到了。這年的9月14日，據(jù)當(dāng)?shù)孛襟w報(bào)道，美國(guó)“位于華盛頓州和路易斯安娜州的兩臺(tái)LIGO探測(cè)器完成升級(jí)，剛剛開始運(yùn)行的幾分鐘時(shí)間內(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”。

當(dāng)時(shí)，1000名利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）開展研究的物理學(xué)家，在兩個(gè)星級(jí)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(shí)，探測(cè)到了其輻射出的脈沖波?！皟蓚€(gè)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(diǎn)幾秒的時(shí)間里猛烈碰撞，融合在一起，形成一個(gè)新的黑洞。融合瞬間釋放的能量增強(qiáng)了引力波?！薄坝钪嬷羞@兩個(gè)黑洞發(fā)生碰撞之后，所產(chǎn)生的引力波跨越漫長(zhǎng)時(shí)空，它們經(jīng)過13億年的長(zhǎng)途跋涉才到達(dá)了美國(guó)的LIGO探測(cè)器?！笨茖W(xué)家們?cè)诮邮懿稍L時(shí)如是描述。“我們?cè)诘厍蛏下牭降?，就像是宇宙的啁啾信?hào)在一瞬間的增強(qiáng)之后，戛然而止?！?/p>

2016年2月，LIGO團(tuán)隊(duì)向全世界宣布，成功探測(cè)到來自兩個(gè)黑洞合并的引力波信號(hào)。雷納·韋斯是當(dāng)時(shí)參與新聞發(fā)布會(huì)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(jī)會(huì)告訴他，今天我們已經(jīng)找到了他曾經(jīng)認(rèn)為人類永遠(yuǎn)也不可能探測(cè)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?！表f斯還感慨道：“愛因斯坦是對(duì)的，這是多么了不起的洞察力和直覺。”

盡管經(jīng)過長(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?！耙Σㄊ侨祟愑^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?！备鐐惐葋喆髮W(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(zhǎng)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(huì)幫助科研人員進(jìn)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(bào)道的時(shí)候，不少人注意到，為了探測(cè)到引力波，在長(zhǎng)期研究過程中，雷納·韋斯教授付出了頑強(qiáng)和不懈的努力。實(shí)際上，當(dāng)韋斯獲知引力波終于被探測(cè)的消息時(shí)，第一反應(yīng)并不是欣喜若狂，而是長(zhǎng)出了一口氣：“用激光干涉測(cè)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(cuò)，就是上千人，上十億美元跟著我瞎折騰了一回啊！”

20世紀(jì)90年代初期，當(dāng)美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金投重金開工建造LIGO的時(shí)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(fèi)投入進(jìn)去，究竟能否獲得科學(xué)上的成功·”“LIGO項(xiàng)目使用巨大的激光干涉儀，在引力波通過地球時(shí)，要探測(cè)到比原子核還要小很多的變化，這的確有點(diǎn)匪夷所思！”在一片反對(duì)聲中，1993年，美國(guó)自然科學(xué)基金甚至一度暫停了原計(jì)劃的4300萬美元的巨額投資。

1994年，科學(xué)家巴里接手LIGO時(shí)，LIGO項(xiàng)目由于內(nèi)部離心而岌岌可危。然而，這一切都不能動(dòng)搖雷納·韋斯對(duì)于探測(cè)宇宙引力波的信心。雷納·韋斯和基普·索恩都堅(jiān)信，引力波可以被檢測(cè)出來，并終將帶來一場(chǎng)人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的革命。

雷納·韋斯等人的努力和堅(jiān)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(jiǎng)授予雷納·韋斯與羅奈爾特·德雷弗、基普·索恩，以表彰他們“對(duì)LIGO的構(gòu)思和設(shè)計(jì)”。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(jiǎng)。

學(xué)界普遍認(rèn)為，LIGO直接觀測(cè)到引力波，為天文探索開創(chuàng)了一個(gè)新方法，而它首先檢測(cè)到引力波存在這一偉大事實(shí)，不僅開啟了人類探索宇宙的一扇大門，而且有可能進(jìn)一步揭開宇宙誕生早期的奧秘。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)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(huì)有更多新的發(fā)現(xiàn)?！暗侥壳盀橹梗鞣N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(shí)空自身的擾動(dòng)。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。”

當(dāng)獲知自己獲得諾貝爾獎(jiǎng)的消息時(shí)，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(xì)想來，那事實(shí)上更多的是一種解脫?！薄伴L(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)達(dá)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(qǐng)你清醒一下吧！你已經(jīng)把一大堆人拉了進(jìn)來，如果它是錯(cuò)誤的呢？突然，這只猴子跳走了，對(duì)我而言，這的的確確是一種巨大的解脫?！眅ndprint