走近引力波探测器之父——从小混混到科学家

走近引力波探测器之父——从小混混到科学家。作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/8/17 8:27:26 选择字号:小 中 大

他是一个非常谦虚的人。这就是他自身魅力的一部分。

Rainer Weiss 走近引力波探测器之父——从小混混到科学家。图片来源:Ken Richardson

50年前,Rainer Weiss便设想出一种探测引力波的方法。引力波是由爱因斯坦的引力理论广义相对论预言的时空中无限小的涟漪。去年9月,这一梦想终于成真。当时,1000名利用激光干涉引力波天文台开展研究的物理学家在两个巨大黑洞位于距地球10亿光年的地方相互围绕着旋转时,探测到其辐射出的脉冲波。LIGO是两台分别位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福的巨大探测器。同行们认为,这项发现使麻省理工学院物理学家Weiss成为稳操胜券的诺贝尔奖获得者。现年83岁的Weiss带着些许不安承认了这一预期。

走近引力波探测器之父——从小混混到科学家。不管以什么标准衡量,Weiss的人生都极其不平凡。1932年,Weiss出生于德国,并在随后和家人从纳粹的魔掌中逃出。他在纽约曼哈顿上西区长大,是一个拥有工匠天赋和街头智慧的孩子,会自己制作并且售卖高保真系统。念本科时,Weiss从MIT退学。此后,他在那里获得终身职位。Weiss为自己赢得了著名物理学家的声誉,并且致力于LIGO研究40余年。这是曾经尝试过的最大胆的试验之一。即便到现在,他仍在利用LIGO开展研究。

走近引力波探测器之父——从小混混到科学家。酷爱古典音乐和电子产品

走近引力波探测器之父——从小混混到科学家。作为一名少年,Weiss酷爱古典音乐和电子产品。他会购买军队剩余的配件,然后在卧室外面修理收音机。Weiss甚至同当地恶棍达成协议:如果他们在他往返于地铁站搬运收音机时能置之不管,他便会帮其修理收音机。

Weiss的妹妹、剧作家Sybille Pearson证实说,Weiss的确会尽可能多地不呆在这个不幸的家庭中。不过,作为唯一的儿子,在某种程度上他仍是家里的王子。比如,无论何时全家搬到新的公寓,Weiss总是能为自己争取到最大的房间。

Pearson回忆说,在学校里Weiss也不是落后者。他很聪明,并且对所有事情都感兴趣。Weiss在哥伦比亚语法和预科学校的同学、如今已从杜克大学退休的心理学家Michael Wallach对此表示赞同。Rainer的科学能力在学校受到广泛认可。Wallach说,尽管他确实像个街头小混混,并且曾在某次争斗中打折过自己的腿。

Weiss的儿子Benjamin Weiss是一名历史学家,同时担任波士顿美术馆馆长。他说,如果Weiss真的逃课了,肯定不会在街角闲逛。他会到市政厅听钢琴独奏会。与此同时,Benjamin推测说,Weiss之所以被修理工作吸引,部分原因在于整个家庭弥漫着凭理智行事的氛围。这是一个来自德国的难民儿童,父母则有着极高的修养。他会通过做一些手工劳动反抗他们。Benjamin表示,不过,他肯定不会拒绝用头脑行事。

领导大型科学项目

在普林斯顿大学,Weiss在物理学家Robert Dicke的指导下做博士后,致力于引力的实验验证。随后,他于1964年回到MIT。Weiss说,作为一名资历尚浅的教职员工,他很少发表文章,也没有操心自己的事业。来自MIT的LIGO物理学家David Shoemaker表示,Weiss能获得终身职位,可能全凭他的教学工作如果放到现在则肯定没戏。已从MIT退休的物理学家Bernard Burke同意这一说法。他介绍说,早期的Weiss是一个快乐的喜欢摆弄小机械的人,因此不可能获得终身职位。不过,Burke表示,Weiss很快扭转了局面。

他将注意力从引力转向对所谓的宇宙微波背景辐射的测量上。CMB辐射是一种无所不在但很模糊的无线电波,于1965年被发现,并且被初步认定为宇宙大爆炸产生的余辉。它通过宇宙无休止的膨胀,扩展成更长、更冷的波长。

不过,在上世纪60年代末,这种关联仍然缺少充分的证据。来自宇宙大爆炸的辐射应当拥有一个表明辐射温度且峰值不对称的热谱。在长波段,一些团队观测到与绝对零度以上3℃的温度相符合的上升热谱。不过,在1968年,火箭测量结果发现了大量的较短波长辐射。其同热谱存在冲突,并且威胁到宇宙大爆炸假说。

为探究该问题,Weiss和他早期带的研究生、如今已经退休的物理学家Dirk Muehlner建造了一台可搭载气象气球飞行并测量较短波长微波频谱的设备。1974年,在三次飞行和1次改造后,他们掌握了与热谱相符的确切数据,并且首次揭示了泄露机密的峰值。这完全摧毁了火箭结果。Burke表示,在那些对微波背景感兴趣的人里,Weiss突然成了他们的明星。

CMB研究不仅为Weiss守住了终身职位,还推动他在更广泛的科学界中担任领导角色。1976年,美国宇航局开始研制宇宙背景探测器卫星,项目科学工作组则选择Weiss担任负责人。于1989年发射的COBE高度精确地测量了微波波谱,并且毋庸置疑地证明了CMB拥有热谱。它还探测到CMB温度中10万分之一的微小波动在新生宇宙中出现且对宇宙学标准模型至关重要的极小的量子涨落痕迹。2006年,美国人John Mather和George Smoot分别因测量微波波谱和探测到这种波动而共享诺贝尔物理学奖。

一些物理学家认为,Weiss应当分享这一荣誉。这是一次接近成功的失败。来自雪城大学的LIGO物理学家、上世纪80年代和Weiss在MIT共事的Peter Saulson表示。无论如何,Weiss对COBE的贡献证明,他能胜任曾认为自己非常不适合的角色:大型科学项目的领导者。他是一个很好的合作者。在NASA戈达德太空飞行中心工作的Mather表示,他还擅长决定谁应当做什么,并且确保那个人获得应有的荣誉。

谦逊令人印象深刻

在参与COBE项目很久之前,当Weiss还过着任性不羁且无任何保障的日子时,他便产生了后来演变成LIGO的想法。上世纪60年代末,MIT物理学系让Weiss教授一门关于广义相对论的研究生课程。我不能告诉他们,自己不懂任何广义相对论的知识。他说。为此,努力让自己比学生抢先一步的Weiss开始关注引力的实验验证。

学生请Weiss讨论马里兰大学帕克分校工程师Joseph Weber试图利用圆柱形铝棒探测引力波的试验。广义相对论认为,诸如两个黑洞等相互围绕旋转的质量极大的物体应当在时空中辐射出涟漪。Weber提出,这些涟漪引力波会拉伸他的圆柱体,并且使其像音叉一样振动。1969年,Weber宣称发现了引力波,但其他人无法重现。

Weiss并未掌握Weber的方法,因此他基于被称为干涉仪的L形设备发明了自己的方法。该设备可将一个激光束分离,然后将获得的两束激光送往相互垂直的分支。这些激光束被镜子反射,并且重新回到分束器。如果分支的长度完全相同,那么光波会同步返回并重新结合,从而使光朝着激光器回流。然而,如果分支的长度相差哪怕是光线波长的一小部分,失准的重叠会使一些光从垂直的黑点中泄漏出去。Weiss意识到,这一输出值能揭示由此通过且通常使分支产生不同程度拉伸的引力波。他让学生在家庭作业中仔细考虑这一想法,并且在季刊《MIT电子研究实验室》上发表了一份23页的报道。LIGO便萌芽于这篇文章。

Weiss坚持认为,当时干涉仪探测器的概念已经广为流传。不过,其他人表示,Weiss最先清楚地说明了探测器应当有几公里长,并且描述了如何处理各种会淹没难以捉摸的引力波的噪音。

如今,随着物理学家希望他共享诺贝尔奖,Weiss恬淡的生活似乎注定要被打破。自从LIGO团队在2月份宣布他们的发现后,Weiss和LIGO的共同创始人来自加州理工学院的Kip Thorne以及从该校退休的Ronald Drever已经获得了若干荣誉:特别突破奖、格鲁伯宇宙学奖、邵逸夫天文学奖和卡弗里天体物理学奖。说实话,这些奖励让我心惊肉跳。Weiss说,他计划将90%的奖金用于帮助研究生。在很多从来都不是主角的故事中,Weiss的谦逊令人印象深刻。他是一个非常谦虚的人。身为朋友的Wallach表示,这就是他自身魅力的一部分。

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