从这本书中,读懂引力波

作者: 珍娜·莱文

来源: 环球科学

发布日期: 2018-03-22

本文详细讲述了约瑟夫·韦伯在1969年宣布成功探测到引力波,但随后其结果遭到质疑,导致其名声受损、晚景凄凉的故事。文章通过描述韦伯的实验过程、他的发现及其后续影响,展示了科学研究中的挑战与争议。

2016年,LIGO探测到引力波的消息在物理学界激起千层巨浪,三位科学家也因此荣获去年的诺贝尔物理学奖。鲜为人知的是,早在近50年前,就有一位实验物理学家宣称成功探测到引力波。约瑟夫·韦伯的发现立刻引起轰动,也让众多实验及理论物理学家投入相关研究。

然而,随着后续研究的涌现,韦伯的结果遭到质疑,韦伯本人的形象也大大受损,在研究生涯晚期举步维艰……这篇节选自珍娜·莱文撰写的《引力波》一书的文章,为我们详细讲述了约瑟夫·韦伯错误地探测到引力波信号前后的故事。1969年,约瑟夫·韦伯宣布,他在实验方面取得了一个普遍认为不可能实现的成就,即成功探测到引力波的存在。在实验的过程中,他几乎没有得到任何帮助,支撑他的仅仅是他一往无前的决心。

他不停地计算,构思出一个又一个设计方案和奇思妙想。最后,在用掉了几本笔记本和厚厚一沓稿纸之后,他终于制造出他的实验仪器。名叫“韦伯棒”的棒状引力波探测器设计精巧,可以与引力波产生共振。实心的铝质圆柱体长为2米,直径为1米,重量约为3000磅。它的作用原理与吉他弦相似,但想弹奏出声音却不是一件容易的事。不过,如果引力波比较强,而且频率与韦伯棒的固有频率相同,它就会像音叉一样振动发声。

棒状引力波探测器的中段安装着石英晶体。探测器一旦发生共振,就会挤压石英晶体,产生压电效应。当电流从连接在探测器中段的电子元件中通过时,就可以记录下“琴弦被拨动后发出的声音”。整套装置非常简单,使用起来也十分便利。韦伯在马里兰大学的一间实验室中放置了一台探测器。在它内部的一个狭小的房间里,一台只需一人就可以轻松操控的探测器占据了相当大的空间。

其他几台探测器是在距离校园约1英里的地方建造的,被安放在一幢与车库极为相似的建筑里。随后,韦伯又在芝加哥附近的美国阿贡国家实验室里安装了一台探测器。这台探测器与马里兰大学相距较远,目的是排除附近地区发生的骚乱、车祸及暴风雨等巧合事件的影响。在整个过程中,韦伯大胆执着、殚精竭虑,充分发挥了自己的独创性。探测器成本低廉,但真的发挥作用了。每天,这几台探测器都会多次接收到从宇宙传来的信号。

似乎宇宙也深受感动,为他送来了各种各样的喧闹声。他没有贸然地鉴别这些声音的来源,因为他认为宇宙噪声源是无法探知的,这份工作应该交给那些理论物理学家去完成。他发现的这个全新领域,既需要实验主义者去发现奥秘,还需要理论物理学家去解释这些奥秘。他取得了20世纪最伟大的实验发现。为了这个发现,他和他的那个中等规模的团队花了整整10年时间。

这是相当大的投入,但是怀疑论者曾经认为,他们至少需要100年才能完成实验。相较之下,他们花费的时间要少得多。1969年,韦伯出席了一个广义相对论研讨会。在这样的会议上,通常不会有什么重大的科学发现,人们讨论的都是诸如引力波是否存在的问题。但是,就是在这次会议上,韦伯公开了自己的发现。

他在论文标题中写道,他找到了“引力波存在的证据”,并指出这些证据来自银河系,可能是发生碰撞的恒星,也可能是中子星或者脉冲星。与会者先是震惊,然后是掌声雷动。从此,韦伯被各种赞誉包围,并登上了杂志封面,成为名人。基普至今还记得韦伯公开发布他的实验成果的情景。尽管他觉得韦伯有点儿操之过急,但是在惊诧之余,他也认为韦伯的这些成果不能不重视。

韦伯的报告引起了物理学家们的兴趣,他们希望揭开韦伯棒振动发声的奥秘。理论物理学家也受到鼓舞,为这些声音想出了各种各样、稀奇古怪的来源。他们仿佛不是在解释韦伯的实验数据,而是在探索宇宙的全貌。罗杰·彭罗斯开始研究引力波,史蒂芬·霍金则开始研究黑洞碰撞。但是,计算结果迅速浇灭了人们的热情。韦伯估计,银河系每年需要耗损上千个太阳,释放出的能量才能与他的数据相吻合。

实验主义者必须做到客观公正,因此,作为一名实验主义者,韦伯认为声音来源不可知的观点是成立的。但是,对于理论学家而言,这种观点似乎意味着世界上存在着大量不合理的能量。马丁·里斯(现在是马丁·里斯爵士)与他的合作伙伴丹尼斯·夏玛、乔治·菲尔德证明,韦伯自称探测到的那些能量不可能是银河系释放出来的,除非它轰然解体。虽然这些计算结果带有不确定性,但韦伯毫无退缩之意,尽管他也承认有些地方确实含糊不清。

在世界各地,包括IBM(国际商用机器公司)、斯坦福大学、贝尔实验室,苏格兰、日本、德国、意大利、苏联,以及美国加利福尼亚州、路易斯安那州和纽约州的罗切斯特市,人们纷纷建造引力波探测器。1972年,NASA将韦伯设计的月球重力仪送到了月球上面。人们对探测器进行重新设计和改进,引入新的分析技术,但是,除韦伯以外,所有人都没有探测到引力波。于是,喧闹声逐渐归于安静。

布拉金斯基是建造探测器,并宣布没有探测到引力波的第一人。在仅仅进行了几周的实验之后,布拉金斯基就迅速放弃了原有的实验设备。他认为,要么花更大的力气,建造更灵敏的探测器,要么考虑彻底改变实验方法。继布拉金斯基之后,罗纳德·德雷弗进行了大量的探测器实验,还利用一两年的时间,尝试“各种各样疯狂的想法”。

有传言说英国人在剑桥大学卢瑟福实验室开展了一个大型探测器实验项目,德国的团队则通过一个规范的探测器实验,同样对韦伯探测到引力波的宣言进行了驳斥。引力波探测器实验陷入了窘境。在1969年宣布成功探测到引力波之后,约瑟夫·韦伯一夜成名,迅速跻身当代最著名的健在科学家的行列。但是,他的这个宣言很快就遭到了猛烈的驳斥。在随后几十年里,无论是科研资助机构,还是同行,几乎都撤回了对他的支持。

马里兰大学也将他“扫地出门”。韦伯曾经把自己摆在一个非常低的位置上,对比他小23岁的第二任妻子、年轻的天文学家维吉尼亚·特林布尔做出过一个评价。社会学家哈利·考林斯回忆道:“(韦伯)笑着对我说,他们结婚时,他声名显赫,而她默默无闻,但是现在情况正好相反。”这句话很好地概括了韦伯当时的处境。即使越来越多的证据不利于他,整个科研界视他如敝履,韦伯也从不承认自己的实验结果是错误的。

偶尔还会有人检验韦伯宣称直接探测到引力波的宣言是否属实,不过,大量的证据都指向了不利于他的一面。韦伯检测到的绝对不是引力波,那些记录数据可能是设备瑕疵造成的结果,也有可能是他在分析或解读数据时出错了,更糟糕的可能是他在采集数据时存在偏见。在随后的25年时间里,约瑟夫·韦伯的境况依然非常艰难。贬低他的人抓住了他的几个大错,毋庸置疑,他的宣言是不对的。天文学家托尼·泰森在贝尔实验室建造了自己的探测器。

在运行了一年多却“没有任何收获”之后,他觉得自己应该立即停止这个实验。但是,有可能开创一个新的物理学分支的前景仍然令他心动不已,他难以抵挡这种诱惑,因此他决定进一步迎难而上。罗彻斯特大学的戴维·道格拉斯也建造了一台探测器,而且道格拉斯与泰森的探测器是一模一样的,以便探测在相距较远的两地同时发生的异常变化。

在AT&T(美国电话电报公司,当时是贝尔实验室的母公司)的帮助下,泰森实验室、道格拉斯实验室和韦伯实验室实现了同轴电缆信号传输。其中一方可以将另外两方的数据直接下载到数字磁带上,然后独立进行数据分析。有一次韦伯宣布,他在做数据分析时发现,这些独立建造和运行的探测器采集到了某些异常数据,而且与他在马里兰大学的探测器所发现的异常数据是同时出现的。

如果相距较远而且独立运行的机器同时发现异常数据,就可以证明他的宣言是对的:这些信号真的来自天文现象,而不是地球上的某些干扰因素造成的噪声。但是,道格拉斯与泰森没有发现任何异常数据。为了校准机器,泰森曾经故意在他的数据中注入一些虚假的脉冲信号。据泰森猜测,韦伯的数据中有一些噪声与这些虚假的脉冲信号正好同时发生,使得韦伯从这些噪声中提取了错误的信号。

一头雾水的泰森说:“我记得,我们把注入校准信号的事告诉韦伯了,也许是我们忘记通知他了吧。”如果韦伯宣布的同步现象是这些错误信号造成的,那么他在任何地方都可以探测到这种同步现象。更让韦伯难以辩解的是,他们三人在记录数据时使用的是不同的时间标准。泰森和道格拉斯使用的是格林尼治标准时间,韦伯使用的则是美国东部的夏令时。

如果韦伯在凌晨两点记录下一组异常数据,并且宣称泰森和道格拉斯的机器在凌晨两点也记录下异常数据,那么这两组数据之间其实有4个小时的时间差,所以它们并不是同时发生的。在任何情况下,发生这样的错误都会让人百口莫辩。最后,为了平息人们认为他存在主观偏见的指责,韦伯再也不参与数据分析了。但是,为时已晚,人们对他的态度不再友好。他有意识地欺骗自己、误导自己,以致产生了不切实际的幻想,发出了错误的宣言。

结果,在一些公开程度非常高的研讨会上,这个骗局被揭穿了。韦伯备受羞辱,变成了一个令人不齿的骗子。泰森对韦伯做出了这样的评价:“他是一名伟大的电气工程师,也是一名糟糕的统计人员。”到20世纪80年代末,这位荣休教授只能自掏腰包,来维持实验室(一幢没有任何装饰、非常简陋的混凝土建筑,位于马里兰大学的校园里,在一片树林和一个高尔夫球场之间)的开支。

据说,他还真的掏出了自己的钱包,证明他确实是“自掏腰包”。门口的牌子没有得到悉心维护,“引力波观测站”这几个字已经褪色,与之一起成为明日黄花的还有它曾经代表的骄傲与自豪。

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