引力波探路者：三十功名尘与土，饱受争议死不渝
撰文 | 霍弗特·席林
译者 | 胡奂晨
编辑 | 金庄维
约瑟夫•韦伯（joseph weber）对相对论和引力的兴趣产生于 20 世纪 50 年代中期。当时他正在享受为期一年的学术休假，借机和物理大师约翰•惠勒（john wheeler）一起去了普林斯顿和莱顿。时空弯曲、黑洞、时间膨胀、引力波，这一切简直棒极了！他开始着手学习相关的一切，并在 1961 年出版了一本小书——《广义相对论和引力波》。
那时，韦伯已经发表了一些让他美名远扬或者臭名昭著（也许有些人会这样评价）的观点，并着手追踪引力波。
韦伯的计划
他的计划很简单，即测量地球上某些物体尺寸发生的极微弱的周期性变化。引力波会拉伸和压缩它们经过的空白空间，以及其中的一切。一块混凝土确实会因为引力波的经过而增大和缩小一点儿。然而，这个变化量实在太小了，以至于极难测量出来。更要命的是，也不能用尺子来测量，因为尺子也会因为引力波而变长和缩短。
对此韦伯有一个k8凯发百家乐的解决方案：固有频率。
绝大多数物体都有特定的固有频率，在该频率上的振动趋向于产生共振并放大自己。住在华盛顿州塔科马市的老居民可能还记得， 1940 年11 月，一座新建的通往吉塞普半岛的悬索桥戏剧性地坍塌了。这就是因为大桥的固有频率与塔科马海峡刮起的狂风频率形成了共振。
韦伯的计划是这样的：用一个大的铝制圆柱体作为探测器，将它精确地调至一个特定的固有频率。然后把它悬挂在一根钢丝上，从而与外部振动隔绝。出于同样的原理将所有装置放在一个真空箱中，将压电传感器与探测器相连。之后静静等待。
如果引力波存在，它们的频率范围将会很广。超新星爆发、恒星碰撞、黑洞绕转……每个天文事件都有其独特的频率。在到达地球时，它们会造成铝制圆柱体的微小振动。希望某些“爱因斯坦波”和铝制圆柱体的固有频率相同，从而引起后者的共振。当这种情况发生时，圆柱体的振动会变得更强，强到有可能被探测到。此外，在引力波经过的几秒内，这个探测器会持续振动，像一个被击打的音叉那样。压电传感器则会记录下探测器的快速拉伸和压缩变化，并将其转化为电信号。
“韦伯棒”
20世纪60年代早期，韦伯和他的博士后鲍勃•福沃德（bob forward）建造了第一台所谓的“共振型引力波探测器”，也叫“共振棒天线”或“韦伯棒”等。他们时不时地捕捉到一些微弱的信号，从无时不在的背景噪声中。它们来自一颗遥远星系的超新星，或者宇宙后花园中碰撞的中子星，或者银河系核心处不为人知的能量过程？
1968年，韦伯的实验开始引起人们的关注。他使用了两台相同的探测器，一台在马里兰大学帕克分校，另一台则在往西大约 1000 千米的芝加哥附近的阿贡国家实验室。他这样做的目的是消除误报。巴尔的摩大道上驶过的卡车可能会引起帕克分校的韦伯棒的振动，但不会对阿贡国家实验室的那台有影响。无论如何，一次超新星爆发或者恒星碰撞产生的引力波应该会被两台探测器同时记录下来，或者考虑到波的速度以及它的原始方向，至少在几分之一秒内两台机器会分别记录下引力波的信号。
两台探测器的天线长度均为1.5米，直径约为65厘米，重1400千克。它们的固有频率是 1660 赫兹，与双中子星相撞产生的爱因斯坦波的频率差不多。接下来，等待信号同时被两台探测器捕捉到——一种所谓的“巧合”现象——就只是时间问题了。
韦伯无须等待很久。1968 年 12 月 30 日—1969 年 3 月 21 日，他的设备至少同时探测到17组信号。这想必不是偶然。1969年6月初，他在俄亥俄州辛辛那提市的相对论会议上第一次宣布了这些结果，并赢得了大家的掌声。6 月 16 日，《物理评论快报》发表了他的论文《发现引力辐射的证据》（引力辐射是引力波的一个过时的同义词）。
“过山车”
但是，兴奋很快就变成了质疑。一开始，天体物理学家们对韦伯探测到的引力波信号的数量感到诧异。考虑到韦伯棒天线的灵敏性，中子星碰撞产生的引力波必须在地球周围几百光年的距离范围内产生，才有可能被探测到。而在如此小的空间里，三个月内发生 17 次恒星碰撞事件根本不可能。但如果引力波来自更远的地方，比如银河系核心处未知的能量过程，它所蕴含的能量就必须无比巨大。
实验物理学家对韦伯的实验结果也持怀疑态度。实验结果要想被科学界认同为有效，就必须是可以复现的。然而，在莫斯科国立大学，弗拉基米尔•布拉金斯基（vladimir braginsky）却无法重现韦伯的实验结果。在新泽西州霍姆德尔镇的贝尔实验室里，安东尼•泰森（anthony tyson）一无所获。罗切斯特大学的戴维•道格拉斯（david douglass）得出了消极的结果。在格拉斯哥大学，罗纳德•德雷弗（ronald drevor）的实验也以失败告终。而与此同时，韦伯却在不断地报告他在马里兰大学得到的最新探测结果。
约瑟夫•韦伯正在查看引力波实验的显示屏。他的背后是一个真空箱，里面装着一台铝制探测器
安东尼•泰森依然记得他与阿尔•克拉斯顿（al clogston，主管贝尔实验室的物理研究实验室）的谈话。当泰森谈到他打算做一个实验来检验韦伯的探测结果时，克拉斯顿表现得并不热心，因为这对泰森和贝尔实验室似乎都没什么好处。如果证实韦伯是错的，他们什么都不会得到；但如果证实韦伯是对的，那么获得诺贝尔奖的将是韦伯，而不是泰森。
尽管如此，泰森还是决定秘密地建造高灵敏度的探测器。他先是与戴维•道格拉斯合作，之后两人在 1971 年又与韦伯合作。他们通过比较在贝尔实验室和罗切斯特大学得到的读数，以及与马里兰大学共享数据，提高探测器的灵敏度，并改进分析软件。
但在 1972 年年末，泰森确认韦伯声称的结果并不存在。韦伯是一位聪明的思想家和杰出的工程师，但在数据分析和统计上却比较马虎。他从未公布过用于定义和识别来自不同韦伯棒的读数的计算过程。如果一个人不断地改变规则，他想要多少次“巧合”，就能得到多少次。
韦伯同样犯了这个愚蠢的错误。他声称捕捉到了来自银河系核心的信号，因为这些探测结果发生于银河系核心高悬于天空之前，而与沿着水平方向传播的引力波相比，沿垂直方向传播的引力波会产生更强的信号。这都没错，但是泰森不得不提醒他，地球对引力波来说是透明的。因此，当银河系的信号传播到地表之下的最深处时，信号的强度应该相同，但韦伯对此未做任何解释。
之后，韦伯声称从他的测量结果和贝尔实验室及罗切斯特大学的数据中找到了共同的巧合事件——从噪声中显露的信号在完全相同的时刻出现。但是泰森和道格拉斯很快就发现韦伯使用的是北美东部时间，而他们使用的是世界时，二者相差 4 个小时。真令人难堪！
那是约瑟夫•韦伯人生中的“过山车”阶段。他整日在实验室里埋头工作，经常遭到别人的指责。1971 年夏天，他的妻子由于心脏病发作离世。但是韦伯很倔强，他从不放弃自己的工作。1972 年 3 月，52 岁的他与来自加州的 28 岁天文学家弗吉尼亚•特林布尔（virginia trimble）结婚，之后他开始学习舞蹈。
争议不断
尽管如此，关于韦伯棒的争论还在继续。1974 年，多个韦伯棒实验在全世界展开。泰森和道格拉斯操控着一台 4 吨重的探测器，其中的低温电子与无时不在的噪声进行着抗争。然而，他们依然什么也没有探测到。在德国慕尼黑的马普天体物理研究所里，海因茨•比林（heinz billing）、阿尔布雷希特•鲁迪格（albrecht rüdiger）和罗纳德•席林（ronald schilling）建造了一台巨大的棒状探测器；意大利弗拉斯卡蒂的圭多•皮泽拉（guido pizzella）和卡尔•梅舍贝格（karl maischberger）也建了一台。但他们全都一无所获。之后是理查德•加尔文（richard garwin），他在纽约约克敦海茨的ibm（国际商业机器公司）托马斯•沃森研究中心使用一台小型探测器。该仪器仅有 120 千克重，只能探测到最强的引力波信号，即便如此，它也徒劳无功。
1972年12月，在纽约市的一场大型会议上，安东尼•泰森和约瑟夫•韦伯在引力波的问题上发生了分歧。（那是第六届得克萨斯相对论天体物理研讨会。纽约当然不在得克萨斯州，但第一届会议举办于得克萨斯，会议名称也就沿袭下来。）不过，那算是一场礼貌性的科学争论，尽管在数据上意见不合，但泰森和韦伯彼此尊重。许多年后，他们甚至成了朋友。
然而，1974 年 6 月韦伯与加尔文在剑桥相对论会议上的争论，就是另外一回事了。这也许是因为韦伯疲于为自己辩护，或者是因为在他的内心深处，他知道自己错了。而真正的原因我们无从知晓。加尔文对韦伯进行了具有人身攻击性质的批评，韦伯也做好了反击的准备，直到菲利普•莫里森（philip morrison）制止了他们。
40 多年后回顾这段往事时，弗吉尼亚•特林布尔依然感到难过。“他们投票让韦伯离开这座岛。”她告诉我，用类似于热播的真人秀节目《幸存者》（survivor）中的游戏规则。“在与韦伯共同生活的28年里，我深刻理解了‘争议’这个词的意思。物理学界就是一个部落。其中，加尔文是韦伯的头号反对者。对于韦伯而言，加尔文就是恶魔的化身。”
特林布尔本人虽然也是一位著名的天体物理学家和天文史学家，她却从未参与用韦伯棒探测引力波的争论。她的人生没有因为她与韦伯的夫妻关系而受到影响。她卖掉了他们在切维蔡斯郡的房子，并利用这笔钱在美国天文学会设立了“约瑟夫•韦伯天文仪器奖”。自 2002 年以来，这个奖项被颁发给有像韦伯那样的工作态度的人：建造最好的探测器，直到捕捉到你想要的东西。
拒绝认输
在剑桥相对论会议上的冲突之后，韦伯和加尔文的争论还在继续。不过不是在会议上，而是在《今日物理》（physics today）的通讯栏目。1975 年 6 月，普林斯顿大学的物理学家弗里曼•戴森（freeman dyson）给韦伯写了一封信，建议他承认自己的错误。“一个伟大的人不会畏惧公开承认自己的错误并改正。”戴森写道，“你强大到足以承认自己的错误。如果你这样做了，你的对手会高兴，你的朋友会更加高兴。”但是，韦伯拒绝认输。
那时大多数科学家都认为韦伯的说法是没有实据的。这不是因为棒状探测器有什么技术错误，而是因为引力波明显弱到无法用这种方法来测量。自20世纪70年代中期起世界上多个地方建造了多台探测器并陆续投入使用，它们大小不同、形状不同、材料不同、质量不同。最好的那台极其灵敏，能够很好地从噪声（比如驶过的卡车）中提取信号，可在低温环境（接近绝对零度，即 -273 摄氏度）中运行，并且装备了超导量子干涉装置来探测可能的极其微弱信号。有时某一台探测器看似捕捉到了信号，但相关数据却无法令批评者信服，最终大部分探测器都停用了。
20世纪80年代晚期，韦伯也失去了美国国家科学基金会的资助。通过投入一部分自己的积蓄，韦伯让他的探测器维持运转，直到 2000 年 9 月他离世的那一天。这些设备至今依然躺在马里兰大学矮小的、像车库一样的办公楼里，落满尘埃。
这是一个忧伤的故事，你会不自觉地为约瑟夫•韦伯感到难过。但这常常就是开拓者的命运，打开一扇全新研究领域的大门通常是最艰难的事情。如果你面对的是容易的事，那一定是很多人都做过的事。如果你是某个领域的第一位探索者，不管出于什么原因，你都很可能遭遇失败。
作者简介
霍弗特·席林（govert schilling），著名荷兰天文学记者、科普作家，《天空与望远镜》杂志特约编辑。
（本文经授权摘编自中信出版集团·科普工作室出版的《时空的秘密》（2018年9月，[荷]霍弗特·席林/著，胡奂晨/译）第四章《波之论与棒之争》。点击购买《时空的秘密》。）
文章头图及封面图片来源：versiondaily.com
