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從人物到細節引力波背后最完整的內幕故事

2016-02-17 13:57:45 來源：百度百家

　　Weber的故事塑造了他開擴的領域的形象，產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，沒有謹慎態度，甚至天知道還有什么惡習」。這個印象在2014年還得到一次強化，當在南極附近的BICEP2望遠鏡上發現了好像是大爆炸遺留的引力輻射;雖然信號是探測到一個，但是后來發現原來是宇宙塵埃，不是引力波。Weber身后也留下一批無法復制Weber生成的結果的研究人員。Weiss，因為在自己的的麻省理工本科課程中被無法解釋Weber 的工作煩惱，開始設計后來的LIGO的原型思想。「我不能理解Weber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，「我不認為那個想法是正確的。于是我自己開始去找答案。」

　　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，想法的情況會發生。當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，使用數英里長的鋼管道。「我不會就在我的桌子上檢測到任何東西。」Weiss 說道。

　　為了達到必要的測量精度，Weiss建議使用光來作為尺子。他設想在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，所以當兩個管子都去除了空氣和其他粒子后光束應該同時在拐彎處重逢，除非引力波通過這個結構。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。這種設備需要比任何以往的物理設備敏感幾千倍，還需要細微的調試來提取一個不斷變弱的微小信號，在地球上充滿無處不在噪音的大背景下做這件事。

　　Weiss在1972年春天把他的設計寫了出來，作為他的實驗室的季度報告。這篇文章從未在科學期刊發表——畢竟這只是個設想，不是實際的實驗——但是據Kip Thorne，參與過《星際穿越》電影創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。」果然，Thorne的1973年初版里程碑式的關于引力的教材中，他還在學生練習中請學生證明通過激光驗證引力波存在性的不現實性，「不過我很快就改變了自己的看法。」他后來告訴我。

　　Thorne 的態度改變發生在1975年，在華府的一間酒店房間里。Weiss邀請他來與一組NASA科學家對話。那個會議的前夜，兩個人一起討論，「我不記得當時怎么發生的，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，因為我們都在這個問題上思考了很多年，」 Weiss回憶道。當Thorne 回到他的臥室時，天已經開始發亮了。

　　在麻省理工，Weiss 已經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，因為許多他的同事還對這個設想持有懷疑。其中一個懷疑者，一個著名的天地物理學家和相對論專家， Phillip Morrison，持有非常堅定的意見認為黑洞不存在——這一看法當時有很多同時代的人都持有，因為支持黑洞的數據太少了。既然黑洞是理論上僅有的少數可以產生可觀測到的引力波的源頭，Morrison 認為Weiss 的設備沒有可以發現的東西。Thorne 在加州理工進展更順利些：到了1981年，在加州理工已經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家Ronald Drever負責原型的建造，并在建造過程中不斷改進Weiss 的設計。

　　1990年，經過了多年的研究，報告，講演，委員會會議。Weiss，Thorne還有Drever說服了NSF(國家自然科學基金)來資助LIGO的建設。這個項目將要花費2.72億美元，比任何NSF之前和以后支持的實驗都多。「這導致了一場激烈爭斗，」Weiss 說。「天文學家非常反對這個項目，因為他們覺得這是有史以來最大的金錢浪費。」許多科學家都擔心LIGO會吸走別的研究的經費。Rich Issacson，當時一個NSF的項目官員，起到了關鍵作用，幫助項目啟動。「他和NSF一直支持我們，為此冒了很大的風險。」Weiss回憶道。

　　「這個東西根本就不合適被建造，」Issacson后來回憶道。「當時只有幾個頭腦發熱的人到處游說，在沒有任何信號發現的前提下，討論把真空技術，激光技術，材料科學技術，地震隔離技術還有反饋系統推倒幾個數量級高于當時技術的水平，甚至需要使用還沒有被發明出來的材料。」但是Issacson的博士論文就是關于引力輻射，他堅信LIGO的理論基礎是嚴謹的。「所以我其實是引力波領域在NSF安插的內線。」他開玩笑說。

　　在他們的項目申請中，LIGO團隊警告說他們最初的設計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習理解如何建造一個更好的探測器。「有足夠的理由相信這個計劃不會探測到結果，」Issacson說。他說服了NSF就算第一階段檢測不到信號，在這構成中帶來的測量精度的進步也值得投資。在1994年，探測器建設正式破土動工。

　　「這里還有上萬個小的細節需要考慮，我真的指上萬個，」Weiss 說道。「每一個細節都要被完善來確保沒有任何的東西會干擾信號。」當他的同事們調試系統的內部組件時，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——來防止皮膚上的細胞或者粉塵粒子落到精密的光學設備上。

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

標簽：引力波內幕細節

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