從人物到細(xì)節(jié) 引力波背后最完整的內(nèi)幕故事

2016-02-17 13:57:45 來源：百度百家

　　Weber的故事塑造了他開擴(kuò)的領(lǐng)域的形象，產(chǎn)生了一個有毒害的印象，即引力波的尋找者們，后來引用Weiss 的話，都是「說謊者，沒有謹(jǐn)慎態(tài)度，甚至天知道還有什么惡習(xí)」。這個印象在2014年還得到一次強(qiáng)化，當(dāng)在南極附近的BICEP2望遠(yuǎn)鏡上發(fā)現(xiàn)了好像是大爆炸遺留的引力輻射;雖然信號是探測到一個，但是后來發(fā)現(xiàn)原來是宇宙塵埃，不是引力波。Weber身后也留下一批無法復(fù)制Weber生成的結(jié)果的研究人員。Weiss，因?yàn)樵谧约旱牡穆槭±砉け究普n程中被無法解釋W(xué)eber 的工作煩惱，開始設(shè)計(jì)后來的LIGO的原型思想?！肝也荒芾斫釽eber想干什么，」他在后來的2000年加州理工編輯的口頭歷史中回顧到，「我不認(rèn)為那個想法是正確的。于是我自己開始去找答案?！?/p>

　　Weiss的探測方法和Weber有著極大的不同。他最初洞見是需要把探測系統(tǒng)做成L型。想象兩個人躺在地上，他們的頭挨著，身體形成90度角。當(dāng)引力波通過他們時，其中一個人會被拉長，另一個人會被縮短;下一時刻，想法的情況會發(fā)生。當(dāng)引力波朝著一個方向拉伸時空，一定會在另一方向壓縮時空。Weiss的設(shè)備會丈量這兩個波動的長度，在非常大的尺度上來測量，使用數(shù)英里長的鋼管道?！肝也粫驮谖业淖雷由蠙z測到任何東西。」Weiss 說道。

　　為了達(dá)到必要的測量精度，Weiss建議使用光來作為尺子。他設(shè)想在L形狀的拐彎處放置激光源。激光源會向兩個管子的尾部發(fā)射兩束激光，在各自尾部會放置一個鏡子來反射激光。光在真空中的速度是常數(shù)，所以當(dāng)兩個管子都去除了空氣和其他粒子后光束應(yīng)該同時在拐彎處重逢，除非引力波通過這個結(jié)構(gòu)。在這種情況下，光源和鏡子間的距離會有小的變化。既然一束光現(xiàn)在會旅行比它孿生伙伴更短的距離，它們不再會在相位上保持一致，差距越大，表明引力波越強(qiáng)。這種設(shè)備需要比任何以往的物理設(shè)備敏感幾千倍，還需要細(xì)微的調(diào)試來提取一個不斷變?nèi)醯奈⑿⌒盘枺诘厍蛏铣錆M無處不在噪音的大背景下做這件事。

　　Weiss在1972年春天把他的設(shè)計(jì)寫了出來，作為他的實(shí)驗(yàn)室的季度報告。這篇文章從未在科學(xué)期刊發(fā)表——畢竟這只是個設(shè)想，不是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)——但是據(jù)Kip Thorne，參與過《星際穿越》電影創(chuàng)作的著名的加州理工退休物理教授，這篇文章「是歷史上最優(yōu)秀的一片論文」。Thorne記得是后來才看到Weiss這篇文章，「如果我早早讀這篇文章，我不會完全理解它?！构唬琓horne的1973年初版里程碑式的關(guān)于引力的教材中，他還在學(xué)生練習(xí)中請學(xué)生證明通過激光驗(yàn)證引力波存在性的不現(xiàn)實(shí)性，「不過我很快就改變了自己的看法?！顾髞砀嬖V我。

　　Thorne 的態(tài)度改變發(fā)生在1975年，在華府的一間酒店房間里。Weiss邀請他來與一組NASA科學(xué)家對話。那個會議的前夜，兩個人一起討論，「我不記得當(dāng)時怎么發(fā)生的，但是我們分享了一個酒店套房，」Weiss說。他們坐在一個小桌子邊，在草紙上寫滿了圖形和方程。Thorne，在摩門教家庭長大，喝著Dr Pepper;Weiss則抽著煙斗，「這個世界上沒有多少人可以像我們兩個這樣交流，因?yàn)槲覀兌荚谶@個問題上思考了很多年，」 Weiss回憶道。當(dāng)Thorne 回到他的臥室時，天已經(jīng)開始發(fā)亮了。

　　在麻省理工，Weiss 已經(jīng)開始組裝一個小的原型，每個探測臂有五尺長。但是他在從系里的管理者那里爭取資助上遇到了困難，因?yàn)樵S多他的同事還對這個設(shè)想持有懷疑。其中一個懷疑者，一個著名的天地物理學(xué)家和相對論專家， Phillip Morrison，持有非常堅(jiān)定的意見認(rèn)為黑洞不存在——這一看法當(dāng)時有很多同時代的人都持有，因?yàn)橹С趾诙吹臄?shù)據(jù)太少了。既然黑洞是理論上僅有的少數(shù)可以產(chǎn)生可觀測到的引力波的源頭，Morrison 認(rèn)為Weiss 的設(shè)備沒有可以發(fā)現(xiàn)的東西。Thorne 在加州理工進(jìn)展更順利些：到了1981年，在加州理工已經(jīng)開始建造一個探測臂有130英尺長的原型。一個蘇格蘭后裔物理學(xué)家Ronald Drever負(fù)責(zé)原型的建造，并在建造過程中不斷改進(jìn)Weiss 的設(shè)計(jì)。

　　1990年，經(jīng)過了多年的研究，報告，講演，委員會會議。Weiss，Thorne還有Drever說服了NSF(國家自然科學(xué)基金)來資助LIGO的建設(shè)。這個項(xiàng)目將要花費(fèi)2.72億美元，比任何NSF之前和以后支持的實(shí)驗(yàn)都多?！高@導(dǎo)致了一場激烈爭斗，」Weiss 說?！柑煳膶W(xué)家非常反對這個項(xiàng)目，因?yàn)樗麄冇X得這是有史以來最大的金錢浪費(fèi)?！乖S多科學(xué)家都擔(dān)心LIGO會吸走別的研究的經(jīng)費(fèi)。Rich Issacson，當(dāng)時一個NSF的項(xiàng)目官員，起到了關(guān)鍵作用，幫助項(xiàng)目啟動?！杆蚇SF一直支持我們，為此冒了很大的風(fēng)險?！筗eiss回憶道。

　　「這個東西根本就不合適被建造，」Issacson后來回憶道?！府?dāng)時只有幾個頭腦發(fā)熱的人到處游說，在沒有任何信號發(fā)現(xiàn)的前提下，討論把真空技術(shù)，激光技術(shù)，材料科學(xué)技術(shù)，地震隔離技術(shù)還有反饋系統(tǒng)推倒幾個數(shù)量級高于當(dāng)時技術(shù)的水平，甚至需要使用還沒有被發(fā)明出來的材料?！沟荌ssacson的博士論文就是關(guān)于引力輻射，他堅(jiān)信LIGO的理論基礎(chǔ)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)??！杆晕移鋵?shí)是引力波領(lǐng)域在NSF安插的內(nèi)線?！顾_玩笑說。

　　在他們的項(xiàng)目申請中，LIGO團(tuán)隊(duì)警告說他們最初的設(shè)計(jì)可能什么都探測不到。不過，他們爭辯說，只有通過建造一個不完美的探測器才能學(xué)習(xí)理解如何建造一個更好的探測器?！赣凶銐虻睦碛上嘈胚@個計(jì)劃不會探測到結(jié)果，」Issacson說。他說服了NSF就算第一階段檢測不到信號，在這構(gòu)成中帶來的測量精度的進(jìn)步也值得投資。在1994年，探測器建設(shè)正式破土動工。

　　「這里還有上萬個小的細(xì)節(jié)需要考慮，我真的指上萬個，」Weiss 說道?！该恳粋€細(xì)節(jié)都要被完善來確保沒有任何的東西會干擾信號。」當(dāng)他的同事們調(diào)試系統(tǒng)的內(nèi)部組件時，他們需要搭建可移動的消毒室，清潔他們的工具，穿上被他們稱為「兔子裝」的全身工作服——來防止皮膚上的細(xì)胞或者粉塵粒子落到精密的光學(xué)設(shè)備上。

　　第一個迭代的探測器在2001年上線。下面的九年中，科學(xué)家們測量并改進(jìn)設(shè)備的性能，完善他們的數(shù)據(jù)分析算法。同時，他們使用在加州理工和德國的原型來開發(fā)更好的反光鏡，激光，地震隔離技術(shù)。2010年，探測器下線，開始了為期5年，耗資2億美元的升級。系統(tǒng)目前隔離如此的好以至于一個部門經(jīng)理在控制室隔壁發(fā)動了他的哈雷摩托，引力波頻道的科學(xué)家在自己的屏幕上什么都不會看到。探測系統(tǒng)的第二次迭代，高級LIGO系統(tǒng)，可以最終探測比上一代大一千倍的空間區(qū)域。

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