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探测引力波:两亿美元的“赌注”

一“波”三折的探测

最早坚定心意寻找引力波的人是约瑟夫·韦伯。1960年代末期,他开始用共振法测量引力波,用一个很大的棒状金属物体,利用引力波在物体的谐振频率上引起共振的特点,希望从棒的振动中提取引力波的信号。韦伯发表了一些实验结果,认为已经发现了引力波。但很可惜,他的实验没有人可以重复,而理论上也很难论证究竟是什么样的过程发出了这么强烈的引力波信号。但是,韦伯的棒探测器研究激励了一批科学家投身引力波事业。从20世纪70年代起,一批理论和实验物理学家加入了引力波理论研究和实验探测的行列,其中就包括索恩。

当引力波的探测在半信半疑中逐渐开展之时,一个令人振奋的消息传来。1975年,美国天文学家拉塞尔·赫尔斯与泰勒发现了一对脉冲双星。科学家们通过其轨道频率的演化,推断出了这个双星正在丢失能量,而这个能量丢失率和引力波导致的一致。这就间接证明了引力波的存在,赫尔斯与泰勒也因此获得了1993年的诺贝尔奖。

在研究引力波的过程中,索恩也发现韦伯实验存在的致命缺陷:棒探测器的最终灵敏度受制于测不准原理。

测不准原理是量子力学的一个基本特征。它说的是,如果你想高度精确地测量一个物体的位置,那么在测量过程中,你必然会对物体有一种反作用,从而以一种随机的不可预料的方式干扰物体的速度。在对宏观事物的测量上,测量的反作用只能产生极其轻微的速度扰动,但对于原子、电子及引力波这样微小尺度的测量上,测不准原理的效应就凸显出来。

在思路逐渐清晰之后,索恩希望在自己的学校开设一个引力波探测计划,他成功游说了校方。不过,他自己只是一名理论物理学家,这个项目需要一位富有经验的实验物理学家来组织。索恩花了很大力气,挖来了英国格拉斯哥大学的罗纳德·德雷维尔,后者明确告诉他,棒探测器这条路是行不通的,他更希望建设一种全新的干涉仪式的探测器。

当时,想到这一点的人并不止德雷维尔一个。美国麻省理工学院(MIT)的实验物理学家雷纳·韦斯也注意到,引力波对物体之间距离的变化,和物体之间本来的距离成正比。这样的话,如果把物体之间的距离拉的很远,并且把它们做成镜子,然后用激光测距的方法测量镜子之间的距离,就可以成倍地提高对引力波测量的精度。根据这一设想,他很早就在MIT开始建设干涉仪探测器。

因此,至1980年代,美国国内出现了两个干涉仪引力波探测器的研究团队——MIT的韦斯小组与Caltech的德雷维尔小组。1984年,为更好地利用研究经费,NSF促使两个团队联合起来,由德雷维尔、韦斯与索恩共同领导。由于德雷维尔与韦斯合不来,索恩坦诚地说,这是“脆弱的婚姻”。

很快,NSF通过第三方评估发现,这个松散的、有裂痕的研究队伍需要重新组织,以形成一个更加紧密团结的团队。因此,到1990年之前,这个团队有了新的指挥者,并提出建设一套全国性的科学装置:激光干涉仪引力波天文台(LIGO)。LIGO由两套“L”型真空系统组成,一个在华盛顿州的汉福德,另一个位于路易斯安那州的利文斯顿附近。

2月11日,美国加州理工学院、麻省理工学院以及激光干涉引力波天文台(LIGO)的研究人员在华盛顿举行的记者会上,显示屏展现出了科学家们捕捉到的引力波信号图像。

其实,NSF起初并不看好这一项目,更何况,那正好是美国联邦预算缩减、很多大型科学项目都已叫停的年代。但NSF物理分部的正副领导人却独具慧眼,很看好这个想法,打定主意要一直照管这个项目,降低风险,直到Caltech与MIT能够接管这么一个工程再放手。对此,韦斯就曾回忆说,“这是一个奇迹,有这么多可能枪毙掉这个项目的因素,但NSF还是让它存活了下来。”

1990年,NSF审核了LIGO的最终提议,所有环节看起来都无懈可击,除了一点——经费,这个项目总共需要2.11亿美元。这是NSF当时天文学总预算的两倍。因此,这笔支出需要得到美国国会的同意。在两年辛苦的政治游说之后,LIGO拿到了经费,开工建设。

LIGO是经过激烈争论、政治与科学上的一系列妥协,以及与有着强硬个性和火爆脾气的先驱科学家们的斗争才走到今天的。回顾这一史诗般的历程,人们或许会发现,科学家们对真理的迫切向往与疯狂追求在全世界任何一个地方可能都没有太大区别,而影响他们能否放手追逐自己心中理想的,是外部环境。

在2月11日的发布会上,NSF现任主任弗朗斯·考尔多瓦表示,“1992年批准LIGO最初的基金项目是NSF有史以来最大的一笔投资,那是一项有很高风险的资助,但这正是NSF需要承担的项目。我们资助在发现之路上但其前路尚不清晰的基础科学与工程。我们资助开路先锋。这就是为什么美国依然是全球先进知识的领导者的原因。”

(本文参考了基普·索恩著《黑洞与时间弯曲》,与玛西亚·芭楚莎著《爱因斯坦尚未完成的交响乐》)

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