Rainer Weiss揭秘引力波技术LIGO四十年实验史

今天,科学家检测到引力波的重磅消息在朋友圈里刷屏了。此时,大家可能还不熟悉引力波探测技术LIGO背后那鲜为人知的故事——一部长达40年的科学实验历史。这篇对MIT的Rainer Weiss教授的访谈不仅还原了这段历史,也告诉我们,科学家的勤奋,智慧和执着以及合理的科研制度,决策者们的远见和胸怀共同书写了这次伟大的科学实验的成功。

来自麻省理工学院,加州理工学院以及世界各个地区的科学家,完成了世界上第一例对到达地球的引力波的检测,他们使用的设备名为LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)的真空管,科学家们就是通过真空管发送激光束。当激光束到达每个真空管的尾部,会遇到反光镜被反射到相反的方向。在所有条件等同的情况下,两束激光应该同时到达它们的光源,由于干涉效应,取消会到达光子探测器的光。不过,如果引力波通过探测器,根据爱因斯坦100年前的预测,引力波会拉长一个真空管的空间,同时压缩另一个真空管的空间,这个扰动非常之小,不过有可能破坏前面提到的完美的光相消效应,产生可以被光电探测器检验到的光子。 

2015年9月14日,LIGO科学合作组织(LIGO Scientific Collaboration)在两部探测器上都检测到了一个非常微小的扰动。经过非常细致的数据分析,现在研究人员确认这个扰动确实是来自引力波,引力波来源于距离地球13亿光年的两个庞大的黑洞的合并。 今天的LIGO合作研究涉及到来自全世界的950位科学家,在美国,有15座大学参加,包括MIT,另外还有十五个其他国家的参与。但是40年前,初始的LIGO设备仅仅是在麻省理工的一个课堂练习,由Rainer Weiss(现是麻省理工已退休的物理教授)最早提出。MIT News刚刚对Weiss教授进行了访问,聊起这个走了40年的证明爱因斯坦正确的历程。

LIGO的故事是什么时候开始的?

故事要从1967年在麻省理工学院说起。我当时被教学部门的负责人要求来教一门广义相对论的课程。在1967年以前,相对论课程都是交给数学系的人来教授。虽然说理论本是关于引力,但是理论的细节主要是数学,在大多数人的脑海中和物理的关系不大。这种现象的原因主要是证实这个理论的实验很难做,爱因斯坦理论预言的可观测效应都太微小了。 爱因斯坦本人曾对他的引力方程涉及到的物理数量级和维度做过如下的评论:「这些数值是如此微小,它们不会对任何的东西产生显著的作用,没人能够去测量它们。」如果你回顾1916年那个年代和当时的技术状态,爱因斯坦可能说的很对。 

在过去这100年间,发生的重要事件是:人们在天文学中发现了与人类在1916年时认识到的非常不同的物体,这些物体非常浓缩,物质密度极大,比如中子星,还有黑洞。 于是,宇宙知识和技术的进步使得我们可以开始考虑如何去寻找引力波了。 

在六十年代,马里兰大学的Joseph Weber提出技术已经成熟到可能用来探测引力波的存在了,他发明了一个检测的方法。他想象一个具有巨大质量类似木琴的东西,称为谐振条。他期望当引力波通过时会拉动一个条,挤压它,当引力离开后,会留下一个脉冲,条会鸣响,可以被听到。 人们首次提出这样的想法:人类应该通过积极的尝试去寻找引力波。后来Weber在60年代声称检测到了引力波。 

当我教授广义相对论课程时,学生们对Weber的东西非常感兴趣。实话实说,我死也不明白Weber到底在做什么。所以这就成了问题,Weber的想法与我一直以来对广义相对论的理解和直觉完全抵触,我无法将其解释给我的学生。 

由于当时的这个困惑状态,我提出了这个(指LIGO前身)发明。我自问:「什么是我能想到的最简单的东西,通过它可以向学生们演示引力波的效应是可被探测到的?」 当时对我来说很显然方案的是:对在太空中自由飘动的物体,测量光在它们之间的传递时间。由于引力波的存在,光传递的时间会有变动。通过对传递时间差异的测量,可以测量引力波的强度。这一过程的数学方程很简单,几乎所有听课的学生都能推导出来。暂时忘记这个思想实验要求使用具有无法实现的精度的时钟。这个想法的原理还是正确的。 

我当时没再多想,直到一年以后,我开始注意到Weber实验的一个特点:没有人可以得到他声称的结果。我开始意识到:也许这是错的,也许Weber关于该如何检测的想法是错的。 那年夏天,在被称为「胶合板宫殿」、位于Vassar大街上的20号楼的一个小房间里,我坐下来整整工作了一个夏天,继续完善我和学生们提出的那个想法。基于当时对激光的了解,知道可以用激光做什么,我解决了这个问题:真的可以用上面课堂里的思路来探测引力波么?我得到的结论是肯定的。可以探测引力波,而且可以找到比Weber寻找到强度更小,进而更容易探测到的引力波。

是什么促成了将这个想法转化为实际探测系统?

我们当时已经开始造一个1.5米长的原型探测器,就在电子研究实验室(RLE,the Research Laboratory of Electronics),使用来自军方的资助,一切都进展顺利。突然,所有的资助都终止了,因为Mansfield修正案(这个修正案禁止军方直接资助和军事用途无关的研究项目),出于对越战的反应。在当时的电子研究实验室管理者的眼里,引力与宇宙学研究与军方利益无直接关系,所以把资助给了他们认为更有关联的固体物理研究。于是,我人生第一次开始给政府和私人机构写申请,争取继续我们的研究。 

那时没有人在认真研究引力波的干涉测量法,尽管我后来得知有别人也有过这个思路。一个在德国Garching马克斯普朗克物理研究所的研究小组在考虑造一个Weber谐振条。他们和意大利科学家合作,后来发现Weber错了。他们那时做了可能是这个领域最好的工作来证明这一点。这发生在70年代。 这个研究组被国家自然基金邀请来审核我的研究计划,当时他们正好也在考虑下一步的研究方向。当时他们的思路,和世界上许多其他研究团队的思路一样,是通过使用接近绝对零度的低温制造更好的Weber谐振条。不过,他们改变了想法,决定尝试干涉测量法。他们联系到我,询问还有没有在那个1.5米原型探测器上工作过的学生,他们会直接雇佣这些学生。(在他们联系我的这个时候,这些学生已经不在了,不过后来曾参与过MIT原型工作的David Shoemaker加入了这个德国团队。)普朗克研究所的这些人造了一个3米的原型,可以进行实际工作,干的很漂亮。 

下一步,他们造了一个30米的探测器。这时候,我拿到了国家自然科学基金的资助,也开始了我这边的研究。此时,德国的研究团队已经解决了大部分的技术问题,证实了我以前所做的所有计算都是分毫不差正确的,实际工作起来就和理论预测的效果一样。他们也补充了一些自己的想法,进一步完善了这个系统。 

重要的一步发生在1975年:当时我在做由NASA支持的宇宙背景辐射方面的研究,NASA让我来主持一个采用空间技术进行宇宙学和相对论研究的委员会。这个委员会工作的一个重要收获是遇见了加州理工的的物理学家Kip Thorne,我当时邀请他(来国会)给这个委员会工作作专家证人。 

我在一个炎热的仲夏夜去首府华盛顿特区的机场接Kip,当时正值旅游旺季,华府充满游客。Kip没有预定酒店,于是我们那晚就分享一个房间。Kip当时已经在加州理工建设了世界上最优秀的引力研究小组,并且在考虑引进引力实验方面的研究人员。我们在一大张纸上列出了各种不同的实验,作为新的研究小组的研究核心。我向他介绍了我们的工作。他以前没听说过这块领域,变得很感兴趣。最后,我和Kip决定加州理工和麻省理工可以联合做这件事(成为后来的LIGO项目)。

这在当时是个很雄心勃勃的计划,也伴随着这个领域长而复杂的历史。驱动这个计划前进的一些关键时刻(事件)是什么?

在70年代末期,麻省理工的研究组,现在包括了Peter Saulson和Paul Linsay,和工业机构联合做了调研来决定制造一个大型,公里长度级的引力波干涉测量探测器。调研了解了制造大型真空系统的技术,考虑了尺度扩展的成本规则,考察了可能的建设5到10公里长度结构的物理选址,做到最小的土地移动,还有所需的光学技术和光源的条件。我们查看了各种可能的引力波源,各种世界各地不同实验室做的的干涉测量方案的原型。所有这些信息都写进了调研报告,被命名为「蓝色报告」,在1983年给国家自然科学基金做了专门报告。来自加州理工和麻省理工的科学家做了「蓝色报告」里面涉及的内容的报告,同时报告了原型研究工作的若干结果。 

给NSF做报告的研究计划中,我们建议制造一个探测器系统可以检测到来自实际天体物理源的引力波(不再是一个新的原型)。研究申请希望建造两个探测器。一个探测器做科学研究是不够的,你需要两个独立的探测器,一样的敏感,都具有大尺度。 这在后来变成了一场真正的争论。你希望保留这些想法,其他人想裁剪这些想法:为什么不只建一个长探测器?为什么要建这么长?这些意见被提出来,但是我们坚持了我们的原初立场。我们必须坚持,否则当时我们根本不能生存下来,今天也就不会存在了。我们得到了决策委员会的支持:带有风险但是有着深远影响的研究值得作为国家自然基金的新项目。 

到了80年代中期,国家自然基金一直在尝试怎样启动这个项目。然后,1986年发生的一件有趣的事件突破了僵局。Richard Garwin(曾与诺贝尔物理奖得主恩里科费米共事过,也在能源部就职过,曾参与过几乎所有的第一个氢弹的设计计算工作)被任命为IBM的首席科学家。他以前读过Weber的实验,并决定和另一个IBM同事也建造一个小型的谐振条,他的工作比Weber 做的聪明很多,但是什么都没有观测到。 国家自然基金正在试图推进这个大型的引力波项目。Garwin听说了这件事,他认为自己是个受够了罪的的过来人。于是他写信给国家自然基金:「如果你们真的要坚持做这件事,你们最好做一下真正的相关研究。」 

于是我们在剑桥培根街的美国科学院组织了一场研讨会。这个研讨持续了整整一个星期,高水准会议委员会成员由务实的科学家们组成。最后委员会的推荐意见是让人无法想象的积极:这个项目非常值得推进,不要把原计划的双探测器分开来建设,需要造完整尺度的探测器,不要再造原型。另外,委员会还推荐了一个项目管理的调整,由一个项目负责人总体负责,不再由一个管理小组来管理,这也是我们希望这个项目具有的管理方式。 

到了1989年,我们在Rochus Vogt(加州理工的前校长)的领导下提出了另一个申请,这个申请我们花了6个月才写好,是科技研究申请的一部经典。这个申请提出建设两个4公里长的干涉探测器。这两个探测器分阶段完善。第一个基于已进入成熟状态的相关研究,借鉴了前面的原型工作,其敏感度提供了找到引力波的合理机会。第二个基于最新的理念,还未被充分测试过,但是具有很好的潜力可以检测到引力波。这个申请提交到了国家科学委员会,得到接受,资金开始大量的流入进来。 

到了90年代,剩下的历史就简单了。此时项目的负责人是Barry Barish(加州理工的物理学家),实验地点在建设和完善,真空系统被建设好,我们开始跑我们最早的一批探测设备。到了2010年,我们已运行了很长一段时间并对探测器的灵敏度进行了大幅度的提升,但是我们还是没有观测到什么。那是一个干净的空白,探测器按照设计方案运行,我们没有发现可以被解释为引力波的异常。基于我们实现了原有设计的探测敏感度,并根据科学原理确定了一些有趣的可能探测源的引力波强度上限的事实,我们得到了进一步的资助来建设后来的高级LIGO系统

对你来说,引力波的发现具有多重要的意义?

从一个角度说,这一发现完成了我们这么多参与到这个工作中的人的夙愿,这是非常重要的。这个(引力波)信号是我们期盼观测到的,因为我们了解这里的物理,尽管我们从来没能证实它的存在,这是爱因斯坦方程效应以前从未观测到的新极限:在强引力场与高速极限条件下的时空几何的动力学的展现。 对我个人来说,这是个有着长远和复杂历史的事件的收尾。场方程及整个广义相对论的历史是很复杂的。现在忽然有个事物我们可以抓住并说:「爱因斯坦是正确的。他那时的洞察和直觉是多么不可思议的美妙啊!」 

我感到了巨大的解脱和喜悦,但是更多是解脱。40年了,好像有一只一直坐在我肩膀上的猴子,在我的耳边唠叨嘲弄我:「呃,你怎么知道这一定能成功?你让这么多人参与进来,如果这一切永远不会成功怎么办?」突然间,猴子跳下来走掉了。这实在是巨大的解脱。

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