从人物到细节引力波背后最完整的内幕故事

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从人物到细节引力波背后最完整的内幕故事

2016-02-17 13:57:45 来源：百度百家

　　Weber的故事塑造了他开扩的领域的形象，产生了一个有毒害的印象，即引力波的寻找者们，后来引用Weiss 的话，都是「说谎者，没有谨慎态度，甚至天知道还有什么恶习」。这个印象在2014年还得到一次强化，当在南极附近的BICEP2望远镜上发现了好像是大爆炸遗留的引力辐射;虽然信号是探测到一个，但是后来发现原来是宇宙尘埃，不是引力波。Weber身后也留下一批无法复制Weber生成的结果的研究人员。Weiss，因为在自己的的麻省理工本科课程中被无法解释Weber 的工作烦恼，开始设计后来的LIGO的原型思想。「我不能理解Weber想干什么，」他在后来的2000年加州理工编辑的口头历史中回顾到，「我不认为那个想法是正确的。于是我自己开始去找答案。」

　　Weiss的探测方法和Weber有着极大的不同。他最初洞见是需要把探测系统做成L型。想象两个人躺在地上，他们的头挨着，身体形成90度角。当引力波通过他们时，其中一个人会被拉长，另一个人会被缩短;下一时刻，想法的情况会发生。当引力波朝着一个方向拉伸时空，一定会在另一方向压缩时空。Weiss的设备会丈量这两个波动的长度，在非常大的尺度上来测量，使用数英里长的钢管道。「我不会就在我的桌子上检测到任何东西。」Weiss 说道。

　　为了达到必要的测量精度，Weiss建议使用光来作为尺子。他设想在L形状的拐弯处放置激光源。激光源会向两个管子的尾部发射两束激光，在各自尾部会放置一个镜子来反射激光。光在真空中的速度是常数，所以当两个管子都去除了空气和其他粒子后光束应该同时在拐弯处重逢，除非引力波通过这个结构。在这种情况下，光源和镜子间的距离会有小的变化。既然一束光现在会旅行比它孪生伙伴更短的距离，它们不再会在相位上保持一致，差距越大，表明引力波越强。这种设备需要比任何以往的物理设备敏感几千倍，还需要细微的调试来提取一个不断变弱的微小信号，在地球上充满无处不在噪音的大背景下做这件事。

　　Weiss在1972年春天把他的设计写了出来，作为他的实验室的季度报告。这篇文章从未在科学期刊发表——毕竟这只是个设想，不是实际的实验——但是据Kip Thorne，参与过《星际穿越》电影创作的著名的加州理工退休物理教授，这篇文章「是历史上最优秀的一片论文」。Thorne记得是后来才看到Weiss这篇文章，「如果我早早读这篇文章，我不会完全理解它。」果然，Thorne的1973年初版里程碑式的关于引力的教材中，他还在学生练习中请学生证明通过激光验证引力波存在性的不现实性，「不过我很快就改变了自己的看法。」他后来告诉我。

　　Thorne 的态度改变发生在1975年，在华府的一间酒店房间里。Weiss邀请他来与一组NASA科学家对话。那个会议的前夜，两个人一起讨论，「我不记得当时怎么发生的，但是我们分享了一个酒店套房，」Weiss说。他们坐在一个小桌子边，在草纸上写满了图形和方程。Thorne，在摩门教家庭长大，喝着Dr Pepper;Weiss则抽着烟斗，「这个世界上没有多少人可以像我们两个这样交流，因为我们都在这个问题上思考了很多年，」 Weiss回忆道。当Thorne 回到他的卧室时，天已经开始发亮了。

　　在麻省理工，Weiss 已经开始组装一个小的原型，每个探测臂有五尺长。但是他在从系里的管理者那里争取资助上遇到了困难，因为许多他的同事还对这个设想持有怀疑。其中一个怀疑者，一个著名的天地物理学家和相对论专家， Phillip Morrison，持有非常坚定的意见认为黑洞不存在——这一看法当时有很多同时代的人都持有，因为支持黑洞的数据太少了。既然黑洞是理论上仅有的少数可以产生可观测到的引力波的源头，Morrison 认为Weiss 的设备没有可以发现的东西。Thorne 在加州理工进展更顺利些：到了1981年，在加州理工已经开始建造一个探测臂有130英尺长的原型。一个苏格兰后裔物理学家Ronald Drever负责原型的建造，并在建造过程中不断改进Weiss 的设计。

　　1990年，经过了多年的研究，报告，讲演，委员会会议。Weiss，Thorne还有Drever说服了NSF(国家自然科学基金)来资助LIGO的建设。这个项目将要花费2.72亿美元，比任何NSF之前和以后支持的实验都多。「这导致了一场激烈争斗，」Weiss 说。「天文学家非常反对这个项目，因为他们觉得这是有史以来最大的金钱浪费。」许多科学家都担心LIGO会吸走别的研究的经费。Rich Issacson，当时一个NSF的项目官员，起到了关键作用，帮助项目启动。「他和NSF一直支持我们，为此冒了很大的风险。」Weiss回忆道。

　　「这个东西根本就不合适被建造，」Issacson后来回忆道。「当时只有几个头脑发热的人到处游说，在没有任何信号发现的前提下，讨论把真空技术，激光技术，材料科学技术，地震隔离技术还有反馈系统推倒几个数量级高于当时技术的水平，甚至需要使用还没有被发明出来的材料。」但是Issacson的博士论文就是关于引力辐射，他坚信LIGO的理论基础是严谨的。「所以我其实是引力波领域在NSF安插的内线。」他开玩笑说。

　　在他们的项目申请中，LIGO团队警告说他们最初的设计可能什么都探测不到。不过，他们争辩说，只有通过建造一个不完美的探测器才能学习理解如何建造一个更好的探测器。「有足够的理由相信这个计划不会探测到结果，」Issacson说。他说服了NSF就算第一阶段检测不到信号，在这构成中带来的测量精度的进步也值得投资。在1994年，探测器建设正式破土动工。

　　「这里还有上万个小的细节需要考虑，我真的指上万个，」Weiss 说道。「每一个细节都要被完善来确保没有任何的东西会干扰信号。」当他的同事们调试系统的内部组件时，他们需要搭建可移动的消毒室，清洁他们的工具，穿上被他们称为「兔子装」的全身工作服——来防止皮肤上的细胞或者粉尘粒子落到精密的光学设备上。

　　第一个迭代的探测器在2001年上线。下面的九年中，科学家们测量并改进设备的性能，完善他们的数据分析算法。同时，他们使用在加州理工和德国的原型来开发更好的反光镜，激光，地震隔离技术。2010年，探测器下线，开始了为期5年，耗资2亿美元的升级。系统目前隔离如此的好以至于一个部门经理在控制室隔壁发动了他的哈雷摩托，引力波频道的科学家在自己的屏幕上什么都不会看到。探测系统的第二次迭代，高级LIGO系统，可以最终探测比上一代大一千倍的空间区域。

标签：引力波内幕细节

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