——文小剛 專訪LIGO聯(lián)合創(chuàng)始人、麻省理工學(xué)院榮譽(yù)教授雷納·韋斯 本文經(jīng)麻省理工科技評論（微信公眾號：mit-tr）授權(quán)轉(zhuǎn)載，禁止二次轉(zhuǎn)載 Rainer Weiss 麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院，與來自全球各地的科學(xué)家們一道，通過LIGO首次直接探測到了抵達(dá)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(tǒng)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(xué)家們通過真空管來發(fā)射激光束。每束激光到達(dá)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(yīng)該在完全相同的時間抵達(dá)源頭，由于干涉，光線不會抵達(dá)光電探測器。然而，如果有引力波穿過探測器，根據(jù)愛因斯坦100年前的預(yù)測，會使兩個真空管中的空間出現(xiàn)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(xué)，如麻省理工學(xué)院，以及來自全球15個國家的950位之多的科學(xué)家。但很難想象，在四十年前，LIGO僅僅是麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授雷納·韋斯（Rainer Weiss）設(shè)計(jì)的一項(xiàng)課堂練習(xí)。
雷納·韋斯（Rainer Weiss），1932年9月29日出生于德國柏林。麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授，于1964年加入麻省理工學(xué)院。韋斯教授發(fā)明了干涉引力波探測器，并聯(lián)合創(chuàng)立了美國國家科學(xué)基金會LIGO項(xiàng)目。他在將理論及實(shí)驗(yàn)物理學(xué)應(yīng)用于宇宙研究領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。
2016年2月，雷納·韋斯教授與另外三位科學(xué)家聯(lián)合出席了在華盛頓舉行的美國國家科學(xué)基金會的新聞發(fā)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(xué)家分別為大衛(wèi)·瑞茲（David Reitze）（LIGO執(zhí)行主任）、加布里娜·岡薩雷斯（Gabriela González）（LIGO科學(xué)合作組織發(fā)言人）、基普·索恩（Kip Thorne）（加州理工學(xué)院教授、LIGO聯(lián)合創(chuàng)始人）。
麻省理工學(xué)院新聞辦公室對韋斯教授進(jìn)行了專訪，他講述了LIGO的歷史，以及他們?nèi)绾斡昧怂氖陼r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(xué)院開始，當(dāng)時物理學(xué)教務(wù)主任要求我設(shè)計(jì)一門廣義相對論課程。那時，廣義相對論已被納入數(shù)學(xué)系的研究領(lǐng)域。雖然是引力理論，但絕大多數(shù)人也認(rèn)為它與物理學(xué)沒什么關(guān)系。這主要是因?yàn)閻垡蛩固估碚擃A(yù)測的可觀測效應(yīng)本來就是無限小的，這很難用實(shí)驗(yàn)物理學(xué)去驗(yàn)證。
愛因斯坦曾看著他的引力公式說道：“所研究的數(shù)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?！碑?dāng)你回想1916年的技術(shù)條件時，他可能是正確的。
過去100年發(fā)生了一些大事，天文學(xué)的發(fā)現(xiàn)表明，人們在1916年所掌握的有關(guān)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(xiàn)在，我們擁有各種技術(shù)去做精確測量。從激光、微波激射器、精密電子儀器、計(jì)算機(jī)，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(dāng)我們準(zhǔn)備開始尋找引力波時，人類已經(jīng)在技術(shù)和知識方面做好了準(zhǔn)備。
20世紀(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）認(rèn)為，尋找引力波需要的技術(shù)條件可能已經(jīng)具備，并發(fā)明了一種探測方法。他想象有一種具有極大質(zhì)量類似木琴的東西，稱為諧振棒（韋伯棒）。當(dāng)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(chǎn)生一個脈沖信號。當(dāng)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(chǎn)生可被探測到的聲音。
這是尋找引力波的第一個實(shí)踐，韋伯當(dāng)時也宣稱發(fā)現(xiàn)了引力波。
我在教授課程時，學(xué)生也很有興趣去了解這方面的知識。說實(shí)話，當(dāng)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?yàn)檫@與我當(dāng)時對廣義相對論所有的認(rèn)知相左，所以我也無法向?qū)W生解釋。
這就是我當(dāng)時的窘境。我在想，用什么方式才能夠最簡單地向?qū)W生展示引力波的影響。
當(dāng)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(shù)學(xué)生都能做到。請忽略當(dāng)時并沒有精密儀器去做測量，而僅僅停留在腦力實(shí)驗(yàn)這一事實(shí)。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(shí)驗(yàn)可能有些問題，因?yàn)槠渌硕紱]有得出他的結(jié)論?；蛟S是他的實(shí)驗(yàn)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(nèi)，花了一整個夏天研究我向?qū)W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(yàn)證手段！
Q：從理論到物理實(shí)踐，您是如何做到的？
A：我們那時一直在電子研究實(shí)驗(yàn)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(jìn)度還不錯。但由于越南戰(zhàn)爭和《曼斯菲爾的修正案》，我們突然失去了所有的科研經(jīng)費(fèi)。在RLE管理層眼中，研究重力與宇宙學(xué)不是軍方所關(guān)心的，資金被劃撥到更實(shí)際的物理研究領(lǐng)域。因此，我第一次向其他政府和私營機(jī)構(gòu)申請資助，以繼續(xù)我們的研究。
當(dāng)時，沒有人認(rèn)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(fā)現(xiàn)韋伯是錯誤的。這可能是70年代中期關(guān)于引力波最有價值的研究了。
正當(dāng)他們在考慮下一步該做些什么的時候，就被美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）邀請去審議我的提案。他們當(dāng)時的想法和世界上其他從事該領(lǐng)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(jī)比較了解的學(xué)生能去他們那里工作。（他們打電話給我的時候，我確實(shí)沒有合適人選。但后來，大衛(wèi)·舒梅克（David Shoemaker）加入了加爾興團(tuán)隊(duì)，他參與了麻省理工學(xué)院原型探測器的研發(fā)。）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(xué)基金的資助，并重新開始研究工作時，德國團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了絕大部分的技術(shù)問題，而且證明了我當(dāng)初的計(jì)算是準(zhǔn)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(jìn)一步優(yōu)化了這個系統(tǒng)。
1975年是非常關(guān)鍵的一年：因?yàn)槲耶?dāng)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(xué)和相對論領(lǐng)域空間研究應(yīng)用方面的委員會。對我來說，該委員會的最大好處是讓我結(jié)識了基普·索恩（Kip Thorne）（加州理工物理學(xué)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(jī)場接了基普。因?yàn)樗麤]訂酒店，我便讓他住我的房間?；赵诩又堇砉そ⒘艘恢豁敿獾囊碚撗芯拷M，并已開始著手建立引力實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。我向他介紹了自己的研究進(jìn)展，基普當(dāng)即表示很有興趣合作。這次談話后，麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院正式聯(lián)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(fù)雜的過程。是怎樣一些關(guān)鍵時刻推動了項(xiàng)目繼續(xù)前進(jìn)？
A：在上世紀(jì)70年代后期，包括現(xiàn)在的皮特·索爾森（Peter Saulson）和保羅·林賽（Paul Linsay）在內(nèi)的麻省理工學(xué)院小組，與產(chǎn)業(yè)合作做了一項(xiàng)研究，確定建設(shè)一個大型的、數(shù)公里規(guī)模的引力波干涉探測器選址的可能性。這項(xiàng)研究包括：如何建造一個大型的真空系統(tǒng)；考慮如何確定成本的比例法則；考察了可能的建設(shè)5到10公里長度的L形結(jié)構(gòu)的物理選址，做到最小的土地移動；還有所需的光學(xué)與光源的條件。
我們仔細(xì)查看了各種可能的引力波源，以及世界不同實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的干涉測量方案的原型，所有這些信息被放進(jìn)了一份稱為藍(lán)皮書（Blue Book）的報(bào)告中，并在1983年提交給了國家科學(xué)基金會。來自加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家共同做了“藍(lán)皮書”里面涉及內(nèi)容的報(bào)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(tǒng)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(xiàng)科學(xué)研究，而必須有兩個獨(dú)立的探測器，必須有同樣的敏感度，并且能夠運(yùn)行足夠長的時間。
這在后來變成了一場真正的爭論。你想堅(jiān)持這些想法，但有人很快提出質(zhì)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(zhì)疑都被否定了，我們堅(jiān)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(rèn)可：這是一項(xiàng)有風(fēng)險(xiǎn)，但可能產(chǎn)生卓越成果的研究，值得國家科學(xué)基金會考慮進(jìn)行立項(xiàng)。
到了80年代中期，美國國家科學(xué)基金會一直在嘗試怎么啟動這個項(xiàng)目。在1986年，一件有趣的事情發(fā)生了，終于打破了僵局。
理查德·加爾文（Richard Garwin）曾與恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）（1938諾貝爾物理學(xué)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(jì)算和開發(fā)，還曾擔(dān)任IBM首席科學(xué)家。他讀過關(guān)于韋伯實(shí)驗(yàn)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(xué)基金會正在推廣這個大型的引力波項(xiàng)目。加爾文得到消息，他認(rèn)為他是個過來人。他在給美國國家科學(xué)基金會的信中寫到，“如果你準(zhǔn)備堅(jiān)持做這個項(xiàng)目，你最好做一下真正的相關(guān)研究?！?/p>
所以，我們在位于波士頓劍橋的美國藝術(shù)科學(xué)研究院（The American Academy of Arts and Sciences）進(jìn)行了一場研討會。這場研討持續(xù)了一周時間，高水準(zhǔn)會議委員會由頂級科學(xué)家構(gòu)成，最后會議委員會提出建議令人難以置信的積極：項(xiàng)目絕對是值得做的，但不要將原計(jì)劃切分成在一個時間點(diǎn)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(xiàng)目管理體系中必須有一個調(diào)整，即只設(shè)置一個主管主任，而不再由一個管理小組領(lǐng)導(dǎo)，而這正是我們管理項(xiàng)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(xué)院教務(wù)長）的指導(dǎo)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(xiàng)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(jīng)比較成熟的相關(guān)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(jī)會。第二臺探測器是基于比較先進(jìn)的理念，當(dāng)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(xué)委員會的支持，資金開始大量流入。
截至上世紀(jì)90年代，剩下的歷史過程變得容易起來?，F(xiàn)在，在巴里·巴里希（Barry Barish）（加州理工學(xué)院物理學(xué)教授）的領(lǐng)導(dǎo)下，新址正在建設(shè)和開發(fā)，我們建造了新的真空系統(tǒng)，并開始運(yùn)行第一臺探測器。
到2010年，我們在敏感度方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但并沒有探測到什么。那真是什么都沒有，探測器根據(jù)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在運(yùn)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(jīng)達(dá)到了預(yù)期的探測靈敏度，并根據(jù)科學(xué)原理確定了一些有趣的可能探測源的引力波強(qiáng)度上限，我們獲得了新的資金可以開始建設(shè)更為先進(jìn)的LIGO。
Q：這一發(fā)現(xiàn)對你有多重要？ A：從某種角度看，這一發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了工作在這個項(xiàng)目上很多人的抱負(fù)，這已經(jīng)很重要了。這是我們所有人都想看到的引力波信號，因?yàn)槲覀冎浪谴嬖诘模皇菑奈从羞^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(qiáng)引力領(lǐng)域和高速度限制中的空間幾何力學(xué)的展現(xiàn)。
對我而言，這是一個有著復(fù)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(fù)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?！?/p>
我感到一種巨大的解脫和喜悅，但其實(shí)更多是解脫。一直以來，有一只猴子坐在我的肩上長達(dá)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(jīng)把一大堆人拉了進(jìn)來，但如果它是錯誤的呢？”突然，他跳走了，這實(shí)在是巨大的解脫。 原文地址：http://news./2016/rainer-weiss-ligo-origins-0211 麻省理工學(xué)院校長就人類首次探測到引力波致信全校 本文經(jīng)麻省理工科技評論（微信公眾號：mit-tr）授權(quán)轉(zhuǎn)載，禁止二次轉(zhuǎn)載
下面這封郵件是麻省理工學(xué)院校長L. Rafael Reif致全校的信。 麻省理工學(xué)院校園全體成員： 2月11日上午10點(diǎn)30分，麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院以及美國國家科學(xué)基金在華盛頓特區(qū)將進(jìn)行物理學(xué)界的一次歷史性發(fā)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(yù)見的一種時空干擾波。 你也許會去現(xiàn)場觀看這一發(fā)布。在美國國家科學(xué)基金發(fā)布會后，你也可觀看我們校園的發(fā)布活動。你也可以在學(xué)院官方網(wǎng)站上閱讀到關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的綜述，以及對麻省理工學(xué)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(dǎo)者和領(lǐng)導(dǎo)者。 基礎(chǔ)科學(xué)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(qū)一直都在推出重要的科研成果。但我要鼓勵你們?nèi)ニ伎冀裉斓陌l(fā)布，因?yàn)樗谝粋€廣袤的背景上展示了，對深刻的科學(xué)問題人類為什么要探索，如何探索，以及為什么至關(guān)重要。 今天的新聞至少包括兩個重要的故事： 首先是科學(xué)告訴我們：憑藉廣義相對論，愛因斯坦準(zhǔn)確地預(yù)測了引力波的存在，它是從宇宙中某個引力極其強(qiáng)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?yàn)長IGO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(jù)，這個系統(tǒng)的活動正如愛因斯坦所預(yù)言。 即使是最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡也依賴于光，所以我們不能看到這壯觀的碰撞，因?yàn)槲覀円恢闭J(rèn)為，黑洞不會發(fā)出任何光。然而，憑借LIGO的儀器，我們現(xiàn)在有“耳朵”可以聽到。配備這種新感官，LIGO的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)和記錄了一個關(guān)于大自然的、迄今未被發(fā)現(xiàn)的基本事實(shí)。但他們利用這個新工具的探險(xiǎn)才剛剛開始。這就是為什么人類要從事科學(xué)！ 第二個故事是關(guān)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(dāng)時實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母拍?，而他的后人用了一百年，發(fā)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(xué)創(chuàng)造力和無比的毅力。數(shù)十年來，在技術(shù)可能性的邊緣，不計(jì)成敗，Rai Weiss領(lǐng)導(dǎo)一個全球合作的團(tuán)隊(duì)，最終將一個光輝的思想實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)的勝利。 這個敘事中的重要角色還包括數(shù)十名外圍科學(xué)家，也包括美國國家科學(xué)基金會管理者，他們在過去幾十年中，系統(tǒng)地評估了這一雄心勃勃項(xiàng)目的意義，決定了予以大量投資。最后的篇章也包括LIGO團(tuán)隊(duì)，精心地將這些發(fā)現(xiàn)展示在物理學(xué)界面前。通過嚴(yán)謹(jǐn)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(chuàng)了一個探索的新前沿。
在麻省理工學(xué)院這樣的地方，有太多人正在參與解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，我們有時會以實(shí)用的附帶產(chǎn)品來檢驗(yàn)國家的基礎(chǔ)科學(xué)投資是否物有所值。但在這個案例中，這幾乎是不相關(guān)的。當(dāng)然，個中也有立即有用的“成果”：LIGO一直以來是數(shù)千大學(xué)生和數(shù)百博士生艱苦的訓(xùn)練場——其中兩人已經(jīng)正式擔(dān)任我校的教職。 更重要的是，LIGO團(tuán)隊(duì)的技術(shù)創(chuàng)新，以及創(chuàng)造性使用其他領(lǐng)域的工具，產(chǎn)生了前所未有的精密儀器。正如我們在麻省理工學(xué)院所熟知的，人類無法抗拒一個新工具的誘惑。LIGO技術(shù)將進(jìn)一步完善和發(fā)展，“回報(bào)”的方式未可限量。關(guān)注其發(fā)展十分有意義。 * * * 我們今天慶祝的發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)的悖論：它是辛苦的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛?，又是震撼性的、革命性的和催化性的。沒有基礎(chǔ)科學(xué)，最好的設(shè)想就無法得到改進(jìn)，“創(chuàng)新”只能是小打小鬧。只有隨著基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，社會也才能進(jìn)步。 麻省理工學(xué)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(jìn)一步成就的機(jī)會。我為自己屬于這個校區(qū)的一員而自豪和榮幸。 謹(jǐn)致振奮與贊嘆！ L. Rafael Reif ① 愛因斯坦世紀(jì)預(yù)言終獲驗(yàn)證，LIGO首次直接探到引力波 投稿、提供新聞線索、轉(zhuǎn)載授權(quán)請聯(lián)系：iscientists@126.com 商務(wù)合作事宜請聯(lián)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(diǎn)擊屏幕下方子菜單獲取最新文章、往期文章或直達(dá)賽先生微博。謝謝！ 微信號：iscientists
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