——文小剛 專訪LIGO聯合創始人、麻省理工學院榮譽教授雷納·韋斯 本文經麻省理工科技評論（微信公眾號：mit-tr）授權轉載，禁止二次轉載 Rainer Weiss 麻省理工學院、加州理工學院，與來自全球各地的科學家們一道，通過LIGO首次直接探測到了抵達地球的引力波。LIGO全稱為“激光干涉引力波天文臺”（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)。 LIGO系統由兩個相距1865英里，且完全相同的探測器組成。每個探測器包含兩個布置成L型的長度為4公里的真空管，科學家們通過真空管來發射激光束。每束激光到達真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等條件下，兩束激光應該在完全相同的時間抵達源頭，由于干涉，光線不會抵達光電探測器。然而，如果有引力波穿過探測器，根據愛因斯坦100年前的預測，會使兩個真空管中的空間出現極其微小的拉伸與壓縮，從而破壞了原有的完美平衡，使光線外泄到光電探測器上。
迄今為止，LIGO已涉及來自美國本土的大學，如麻省理工學院，以及來自全球15個國家的950位之多的科學家。但很難想象，在四十年前，LIGO僅僅是麻省理工學院物理學教授雷納·韋斯（Rainer Weiss）設計的一項課堂練習。
雷納·韋斯（Rainer Weiss），1932年9月29日出生于德國柏林。麻省理工學院物理學教授，于1964年加入麻省理工學院。韋斯教授發明了干涉引力波探測器，并聯合創立了美國國家科學基金會LIGO項目。他在將理論及實驗物理學應用于宇宙研究領域做出了重大貢獻。
2016年2月，雷納·韋斯教授與另外三位科學家聯合出席了在華盛頓舉行的美國國家科學基金會的新聞發布會，正式向全世界宣布已于2015年9月探測到引力波。其他三位科學家分別為大衛·瑞茲（David Reitze）（LIGO執行主任）、加布里娜·岡薩雷斯（Gabriela González）（LIGO科學合作組織發言人）、基普·索恩（Kip Thorne）（加州理工學院教授、LIGO聯合創始人）。
麻省理工學院新聞辦公室對韋斯教授進行了專訪，他講述了LIGO的歷史，以及他們如何用了四十年時間去證明愛因斯坦是正確的。 Q：LIGO從何而來？
A：故事從1967年的麻省理工學院開始，當時物理學教務主任要求我設計一門廣義相對論課程。那時，廣義相對論已被納入數學系的研究領域。雖然是引力理論，但絕大多數人也認為它與物理學沒什么關系。這主要是因為愛因斯坦理論預測的可觀測效應本來就是無限小的，這很難用實驗物理學去驗證。
愛因斯坦曾看著他的引力公式說道：“所研究的數字和維度都太小了，小到不會對任何事物造成影響，也沒有人能夠測量。”當你回想1916年的技術條件時，他可能是正確的。
過去100年發生了一些大事，天文學的發現表明，人們在1916年所掌握的有關緊密壓縮源、無限密度方面的知識是非常有限的，比如中子星和黑洞。但現在，我們擁有各種技術去做精確測量。從激光、微波激射器、精密電子儀器、計算機，到大批的科研人員，這些都是那個年代所不敢想象的。
所以，當我們準備開始尋找引力波時，人類已經在技術和知識方面做好了準備。
20世紀60年代，馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）認為，尋找引力波需要的技術條件可能已經具備，并發明了一種探測方法。他想象有一種具有極大質量類似木琴的東西，稱為諧振棒（韋伯棒）。當有引力波穿過時，諧振棒會在不同方向上被拉伸和壓縮，同時產生一個脈沖信號。當引力波的頻率恰好和諧振棒本身的特征頻率相符的時候，則會產生可被探測到的聲音。
這是尋找引力波的第一個實踐，韋伯當時也宣稱發現了引力波。
我在教授課程時，學生也很有興趣去了解這方面的知識。說實話，當時我覺得可能一輩子都弄不明白韋伯在做什么，這就是問題所在，因為這與我當時對廣義相對論所有的認知相左，所以我也無法向學生解釋。
這就是我當時的窘境。我在想，用什么方式才能夠最簡單地向學生展示引力波的影響。
當時對我而言很顯然的方案是：對在太空自由飄動的物體，測量光線在它們之間往返所需的時間。如果存在引力波，光傳遞的時間會有變化。通過對傳遞時間差異的觀察，可以測量引力波的振幅。這一過程的公式很容易編寫，班里的絕大多數學生都能做到。請忽略當時并沒有精密儀器去做測量，而僅僅停留在腦力實驗這一事實。但大原則是沒有問題的。
此后，我沒有就此事再做更深入的考慮，直到一年后，我意識到韋伯的實驗可能有些問題，因為其他人都沒有得出他的結論。或許是他的實驗方法有問題，甚至是整個理論體系都出了問題。
一個夏天，我坐在被稱為“膠合板宮殿”、位于瓦薩大街（Vassar Street）20號樓的一個小房間內，花了一整個夏天研究我向學生們提出的想法，我想到了激光，我們是否真能用它來探測引力波？答案是肯定的，激光絕對是一種比韋伯的方式更有力的驗證手段！
Q：從理論到物理實踐，您是如何做到的？
A：我們那時一直在電子研究實驗室（The Research Laboratory of Electronics，RLE），使用軍方資金制造1.5米長的原型探測器，進度還不錯。但由于越南戰爭和《曼斯菲爾的修正案》，我們突然失去了所有的科研經費。在RLE管理層眼中，研究重力與宇宙學不是軍方所關心的，資金被劃撥到更實際的物理研究領域。因此，我第一次向其他政府和私營機構申請資助，以繼續我們的研究。
當時，沒有人認真從事引力波干涉的研究，雖然后來我也得知，某些人也有過此想法。位于德國加爾興的馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的一個小組剛剛制造了一個“韋伯棒”。他們與意大利人合作，并發現韋伯是錯誤的。這可能是70年代中期關于引力波最有價值的研究了。
正當他們在考慮下一步該做些什么的時候，就被美國國家科學基金會（National Science Foundation）邀請去審議我的提案。他們當時的想法和世界上其他從事該領域研究的小組類似：如何通過無限接近絕對零度來制造更好的“韋伯棒”。看到我的提案后，他們決定改變思路，并打電話給我詢問是否有對1.5米原型機比較了解的學生能去他們那里工作。（他們打電話給我的時候，我確實沒有合適人選。但后來，大衛·舒梅克（David Shoemaker）加入了加爾興團隊，他參與了麻省理工學院原型探測器的研發。）隨后，他們果真造出了能正常工作的3米原型探測器，真是好樣的！
再后來，他們成功制造了30米原型探測器。到我拿到國家科學基金的資助，并重新開始研究工作時，德國團隊已經解決了絕大部分的技術問題，而且證明了我當初的計算是準確且行之有效的。他們還在我的理念上加入了一些新元素，進一步優化了這個系統。
1975年是非常關鍵的一年：因為我當時也在做由NASA資助的宇宙背景輻射研究，NASA要求我組織一個宇宙學和相對論領域空間研究應用方面的委員會。對我來說，該委員會的最大好處是讓我結識了基普·索恩（Kip Thorne）（加州理工物理學家），我曾邀請他來參加委員會聽證。
在一個炎熱的夏夜，華盛頓街頭游人如織，我去機場接了基普。因為他沒訂酒店，我便讓他住我的房間。基普在加州理工建立了一只頂尖的引力理論研究組，并已開始著手建立引力實驗研究組。我們攤開一大張紙，在上面寫下了新的引力研究組能做的一切實驗。我向他介紹了自己的研究進展，基普當即表示很有興趣合作。這次談話后，麻省理工學院和加州理工學院正式聯手，于是便有了后來的LIGO。
Q：這是一個雄心勃勃的愿景，無疑也是一個漫長而復雜的過程。是怎樣一些關鍵時刻推動了項目繼續前進？
A：在上世紀70年代后期，包括現在的皮特·索爾森（Peter Saulson）和保羅·林賽（Paul Linsay）在內的麻省理工學院小組，與產業合作做了一項研究，確定建設一個大型的、數公里規模的引力波干涉探測器選址的可能性。這項研究包括：如何建造一個大型的真空系統；考慮如何確定成本的比例法則；考察了可能的建設5到10公里長度的L形結構的物理選址，做到最小的土地移動；還有所需的光學與光源的條件。
我們仔細查看了各種可能的引力波源，以及世界不同實驗室所開發的干涉測量方案的原型，所有這些信息被放進了一份稱為藍皮書（Blue Book）的報告中，并在1983年提交給了國家科學基金會。來自加州理工學院和麻省理工學院的科學家共同做了“藍皮書”里面涉及內容的報告，以及原型研究的若干成果。
我們提出的方案是，讓探測器系統的靈敏度足夠高，能夠從天體物理源中探測到引力波（但不只是一個新的原型）。這個方案建議建造兩個探測器：你不可能靠一個探測器完成這項科學研究，而必須有兩個獨立的探測器，必須有同樣的敏感度，并且能夠運行足夠長的時間。
這在后來變成了一場真正的爭論。你想堅持這些想法，但有人很快提出質疑：為什么不建一個足夠長的呢？為什么要花這么長時間呢？但所有這些質疑都被否定了，我們堅持了下來，否則早就失敗了，我們今天也不會在這里。我們從委員會獲得了認可：這是一項有風險，但可能產生卓越成果的研究，值得國家科學基金會考慮進行立項。
到了80年代中期，美國國家科學基金會一直在嘗試怎么啟動這個項目。在1986年，一件有趣的事情發生了，終于打破了僵局。
理查德·加爾文（Richard Garwin）曾與恩里科·費米（Enrico Fermi）（1938諾貝爾物理學獎獲得者）一道工作，并就職于美國能源部，他參與完成了第一顆氫彈的計算和開發，還曾擔任IBM首席科學家。他讀過關于韋伯實驗的資料，并決定與他在IBM的一個同事建造一個小型的諧振條，但比韋伯建造的更加精巧，但他什么也沒探測到。
那時，美國國家科學基金會正在推廣這個大型的引力波項目。加爾文得到消息，他認為他是個過來人。他在給美國國家科學基金會的信中寫到，“如果你準備堅持做這個項目，你最好做一下真正的相關研究。”
所以，我們在位于波士頓劍橋的美國藝術科學研究院（The American Academy of Arts and Sciences）進行了一場研討會。這場研討持續了一周時間，高水準會議委員會由頂級科學家構成，最后會議委員會提出建議令人難以置信的積極：項目絕對是值得做的，但不要將原計劃切分成在一個時間點弄一個探測器，需要有完整長度的探測器，不要再造原型。委員會還建議，在項目管理體系中必須有一個調整，即只設置一個主管主任，而不再由一個管理小組領導，而這正是我們管理項目的方法。
到了1989年，我們在羅克斯·沃格特（Rochus Vogt）（前加州理工學院教務長）的指導下寫了另一個方案，這幾乎花了我們六個月的時間來完成，但這無疑是份杰作。這項方案提議要建兩個4公里長的干涉探測器。
第一個基于已經比較成熟的相關研究，借鑒了前面的原型，其敏感性為探測提供了一個非常合理的機會。第二臺探測器是基于比較先進的理念，當時尚未完全測試，但具備很好的潛力能夠探測到引力波。這一提案獲得了國家科學委員會的支持，資金開始大量流入。
截至上世紀90年代，剩下的歷史過程變得容易起來。現在，在巴里·巴里希（Barry Barish）（加州理工學院物理學教授）的領導下，新址正在建設和開發，我們建造了新的真空系統，并開始運行第一臺探測器。
到2010年，我們在敏感度方面已經取得了巨大的進展，但并沒有探測到什么。那真是什么都沒有，探測器根據設計方案已經在運行，但我們沒有探測到任何可以解釋為引力波的異常。但基于我們已經達到了預期的探測靈敏度，并根據科學原理確定了一些有趣的可能探測源的引力波強度上限，我們獲得了新的資金可以開始建設更為先進的LIGO。
Q：這一發現對你有多重要？ A：從某種角度看，這一發現實現了工作在這個項目上很多人的抱負，這已經很重要了。這是我們所有人都想看到的引力波信號，因為我們知道它是存在的，只是從未有過真正的證明，它是愛因斯坦方程中從未被觀察到的界限——在強引力領域和高速度限制中的空間幾何力學的展現。
對我而言，這是一個有著復雜歷史事件的收尾。廣義相對論的場方程及其歷史一直以來都很復雜。突然間，我們有了一些可以抓住的東西，并可以說：“愛因斯坦是對的，這是多么了不起的洞察力和直覺。”
我感到一種巨大的解脫和喜悅，但其實更多是解脫。一直以來，有一只猴子坐在我的肩上長達40年，他一直在我耳邊嘮叨，說：“嗯，你怎么知道這真的能夠成功？你已經把一大堆人拉了進來，但如果它是錯誤的呢？”突然，他跳走了，這實在是巨大的解脫。 原文地址：http://news./2016/rainer-weiss-ligo-origins-0211 麻省理工學院校長就人類首次探測到引力波致信全校 本文經麻省理工科技評論（微信公眾號：mit-tr）授權轉載，禁止二次轉載
下面這封郵件是麻省理工學院校長L. Rafael Reif致全校的信。 麻省理工學院校園全體成員： 2月11日上午10點30分，麻省理工學院、加州理工學院以及美國國家科學基金在華盛頓特區將進行物理學界的一次歷史性發布：人類首次直接探測到引力波，Albert Einstein （ 阿爾伯特·愛因斯坦）百年前預見的一種時空干擾波。 你也許會去現場觀看這一發布。在美國國家科學基金發布會后，你也可觀看我們校園的發布活動。你也可以在學院官方網站上閱讀到關于這一發現的綜述，以及對麻省理工學院教授Emeritus Rainer Weiss的專訪，他是LIGO（激光干涉引力波觀測站）的倡導者和領導者。 基礎科學的美麗和力量 通常而言，不管多么令人印象深刻，我不會給全校致信祝賀某個人的研究成果。我們校區一直都在推出重要的科研成果。但我要鼓勵你們去思考今天的發布，因為它在一個廣袤的背景上展示了，對深刻的科學問題人類為什么要探索，如何探索，以及為什么至關重要。 今天的新聞至少包括兩個重要的故事： 首先是科學告訴我們：憑藉廣義相對論，愛因斯坦準確地預測了引力波的存在，它是從宇宙中某個引力極其強大的地方旅行到我們這里的時空漣漪。這些漣漪信號是不可察覺地微弱。直到不久前，它們也無法被直接觀察到。但因為LIGO成功檢測到了這些微弱的信號——從兩個黑洞相撞成為一個更大的黑洞——我們有了確鑿證據，這個系統的活動正如愛因斯坦所預言。 即使是最先進的望遠鏡也依賴于光，所以我們不能看到這壯觀的碰撞，因為我們一直認為，黑洞不會發出任何光。然而，憑借LIGO的儀器，我們現在有“耳朵”可以聽到。配備這種新感官，LIGO的團隊發現和記錄了一個關于大自然的、迄今未被發現的基本事實。但他們利用這個新工具的探險才剛剛開始。這就是為什么人類要從事科學！ 第二個故事是關于人類的成就。它始于愛因斯坦：一種廣闊的人類意識，可以形成一個超越當時實驗能力的概念，而他的后人用了一百年，發明工具，證明了其有效性。 這個故事可以推廣到Rai Weiss和其合作者的科學創造力和無比的毅力。數十年來，在技術可能性的邊緣，不計成敗，Rai Weiss領導一個全球合作的團隊，最終將一個光輝的思想實驗轉變成一個科學發現的勝利。 這個敘事中的重要角色還包括數十名外圍科學家，也包括美國國家科學基金會管理者，他們在過去幾十年中，系統地評估了這一雄心勃勃項目的意義，決定了予以大量投資。最后的篇章也包括LIGO團隊，精心地將這些發現展示在物理學界面前。通過嚴謹分析和同行評審出版的一步步莊重過程，令我們滿懷信心分享這一喜訊——而且開創了一個探索的新前沿。
在麻省理工學院這樣的地方，有太多人正在參與解決現實世界的問題，我們有時會以實用的附帶產品來檢驗國家的基礎科學投資是否物有所值。但在這個案例中，這幾乎是不相關的。當然，個中也有立即有用的“成果”：LIGO一直以來是數千大學生和數百博士生艱苦的訓練場——其中兩人已經正式擔任我校的教職。 更重要的是，LIGO團隊的技術創新，以及創造性使用其他領域的工具，產生了前所未有的精密儀器。正如我們在麻省理工學院所熟知的，人類無法抗拒一個新工具的誘惑。LIGO技術將進一步完善和發展，“回報”的方式未可限量。關注其發展十分有意義。 * * * 我們今天慶祝的發現體現了基礎科學的悖論：它是辛苦的、嚴謹的和緩慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的。沒有基礎科學，最好的設想就無法得到改進，“創新”只能是小打小鬧。只有隨著基礎科學的進步，社會也才能進步。 麻省理工學院校園具備如此不凡的條件，能欣賞這一成就的美麗和意義，并敞開進一步成就的機會。我為自己屬于這個校區的一員而自豪和榮幸。 謹致振奮與贊嘆！ L. Rafael Reif 投稿、提供新聞線索、轉載授權請聯系：iscientists@126.com 商務合作事宜請聯系：dll2004@163.com 更多精彩文章：您可以'年份+月份'，如201510即可獲取月度文章，或返回主頁點擊屏幕下方子菜單獲取最新文章、往期文章或直達賽先生微博。謝謝！ 微信號：iscientists
|
|
|
