1700935460
1700935461
他们建造的不是望远镜,而是一台记录装置。如果他们最终取得成功,这台兼具科研仪器与乐器两大功能的设备就可以记录空间形状的微小变化。只有质量非常大的天体完成最剧烈的活动,时空才会发生足以被探测器捕捉到的振荡。黑洞碰撞会引起时空波动,中子星、脉冲星的碰撞,恒星爆炸和天体物理学上难以想象的时空瀑布也会产生类似的效果。空间距离的收缩与膨胀就像大海的波浪,以时钟节奏在宇宙中(也就是在时空中)向前传播。引力波不是声波,但只需借助仿真技术,就可以把引力波转变成声音,与传统扩音器将电吉他琴弦的波动转变成声音的原理非常相似。打一个不是特别贴切的比方,天文灾害就是弹奏吉他的拨片,时空就是琴弦,实验中使用的这套设备就是吉他的琴箱。如果为这个比喻增加几个维度,天文灾害就相当于鼓槌,时空就是三维皮鼓的鼓皮,实验设备的作用就是在皮鼓将无声乐谱变成乐曲的时候记录下皮鼓在形状上发生的变化。科学家坐在控制室里,监听探测器捕捉到的声音。尽管这些声音已经接受了从商店买来的扬声器的放大处理,但他们听到的仍然是一些嘈杂的背景音:“嘶嘶”。
1700935462
1700935463
1700935464
1700935465
1700935466
麻省理工学院的这些设备非常珍贵,但是放到整个LIGO项目中就显得微不足道了。LIGO项目的总部设在加州理工学院,有一台原型机也放在那里。不过,与在汉福德和利文斯顿的那两台探测器相比,这台原型机也显得微不足道。雷纳问我:“你还没去现场看过吧?准备什么时候去?等你亲眼看到之后再说吧。”他靠在椅背上,脸上再次露出非常惊讶的神情。那两台探测器的长度大约是雷纳制造的第一台原型机的2 500倍。我也靠在椅背上,想象着两者之间的比例关系。接着雷纳说道:“去现场参观过的人并不多。”
1700935467
1700935468
从上大学开始,雷纳为了从事科研工作,就一直奔走在剑桥市纵横交错的街道上,尽管在走出肯德尔广场地铁站的那一刻,他就发誓要回到纽约。那是9月的一个阴冷潮湿的上午,剑桥市(波士顿这个制造业中心的角落)正散发着阵阵臭气。用动物尸体提炼物、动物脂肪制成的肥皂,与蛋黄酱、腌菜混合在一起,成了一种深棕色的东西,让人闻后恶心不已。但是,他没有兑现这个誓言,而是在这个发出一股股刺鼻气味的城市中待了下来。他之后的人生基本上都是在剑桥市度过的,其间只因为一些必要的原因离开过几次,而且时间都不长。不过,在麻省理工学院学习的头几个月里,他没有表现出一丝一毫的桀骜不驯。
1700935469
1700935470
“后来,我坠入了爱河。我就像个傻瓜,觉得自己不应该这样下去。于是,我退学了,并追随那个女孩来到了芝加哥。她是一名钢琴演奏者,因为她,我的生活发生了改变。在那之前,我没想学习弹钢琴,但是遇见她之后,我开始学习弹钢琴。我记得自己那时候已经20岁了,甚至更大。这一切都是因为她。
1700935471
1700935472
“多年之后初次接触引力波时,我心里想:‘啊,LIGO涉及的频率范围与钢琴是一模一样的。’
1700935473
1700935474
“这么说吧,那时的我被爱情冲昏了头脑,根本不去考虑未来会怎么样。后来,那个女孩爱上了另一个家伙。人绝对不能相信爱情,我的意思是,你不能沉溺于爱情。你应该知道爱情是怎么一回事。于是,我又回到了麻省理工学院,开始物理学的学习和研究。但同时我也背上了中途退学的不良记录。”
1700935475
1700935476
从大学退学的雷纳在职场上闯荡无果后,又回到了麻省理工学院,住进了“二战”期间作为应急措施在校园角落草草搭建的“夹板宫殿”。这些用木头搭建的临时建筑摇摇欲坠,预期寿命不超过几年时间,原计划在战争期间使用,战后几个月会被拆除。这些住屋吱嘎作响,不仅四面透风,而且被煤烟熏得漆黑,住在里面非常不舒服,窗户偶尔还会被风吹落到临近麻省理工学院的瓦瑟大街上。但是,它们的耐受力却非常强,坚持了几十年的时间,尽管它们的用途在其间多次发生变化。除了麻省理工一直偏爱的编号体系赋予它一个看不出任何含义的楼号以外,20号楼始终没有任何正式的名称,“夹板宫殿”应该是最适合它的绰号了。虽然外观简陋,但是在5名科学家进入这栋临时性建筑工作之后,“夹板宫殿”一夕之间变成了一个传奇的存在。夹板墙和天花板上被凿出一个个孔洞,水电线路通过管道从头顶上和薄薄的挡板中间接进来。伴随着屋外的喧嚣声,创意接踵而至,穿过那热得发烫的沥青屋顶和石棉隔热层,闯进这些科学家的大脑。这栋简陋不堪的三层建筑似乎不仅为他们提供了科研场所,还帮助他们摆脱了各种思想的桎梏。至少有9人因为在20号楼的研究而获得诺贝尔奖,涵盖雷达、语言学、神经网络、声频工程、引力物理学等研究领域。人们在分析这个文化现象时不禁问道:“到底是什么原因激发了如此旺盛的创造力?”1998年,颠覆了人们的预期、存在50年之久的“夹板宫殿”被拆除了。科研人员、附近的居民以及在那片操场上玩耍的孩子们,亲眼见证了这个历史时刻。
1700935477
1700935478
雷纳就像在国家征用权斗争中财产被征收一方中的最坚定的抵制者,坚决反对拆除这栋建筑。在“夹板宫殿”里,科学家们经常见面,不经意产生的交集可遇不可求,有着非常重要的意义。有一次,雷纳帮助一位生物学家处理了一只死猫。雷纳说:“嗯,那只猫(当时)还没死,不过就快死了。”那个家伙用那只可怜的猫做实验,结果连接在猫身上的电子器件发生了故障。雷纳克制着自己的同情心(他不敢看那只可怜的猫),帮助那位生物学家从猫身上采集了一些数据。雷纳轻描淡写地说道:“我们就是一个非常有意思的团队。”
1700935479
1700935480
当年,雷纳在这栋简陋的三层小楼里四处打听:“请问你们需要人手吗?”如今,60年已经过去了,雷纳几乎没有什么变化(尽管在某些方面有所改变)。那时候,真的有人需要人手。于是,雷纳开始了做实验室检验员的工作,两年之后,他再次恢复了学生身份。雷纳回忆说:“读研究生期间,我非常快乐。其间,我结婚了。我的妻子怀孕后,这段快乐的时光就结束了。我必须走出校园,不是吗?但是,我宁愿永远当一名研究生,因为研究生的生活太美妙了。我可以不停地做实验,永远不用考虑金钱这类问题。就这样,我做了一个又一个实验,有的实验还非常荒唐。”拿到学位之后,雷纳先后在塔夫茨大学和普林斯顿大学工作了一段时间,最后又回到麻省理工学院,成为一名教授。雷纳告诉我,他不喜欢普林斯顿的天气。他这样说似乎是为了避免我进一步发问。
1700935481
1700935482
LIGO探测器的灵感产生于课堂之上。当时,雷纳还是一名助理教授,负责讲解爱因斯坦的“弯曲时空”这个晦涩难懂的理论。雷纳告诉我:“(麻省理工学院的人)可能会想:这个家伙去过普林斯顿大学,肯定对相对论有所了解吧……其实,我对相对论的了解非常有限。我指的是广义相对论,而不是狭义相对论。
1700935483
1700935484
“但是,我不能坦率地告诉其他人我不了解广义相对论。我在这里开展的研究项目,研究的不就是万有引力吗?我能告诉他们我不懂广义相对论吗?因此,我没有坦白……就这样,我给自己找了一个大麻烦:我必须比学生早一天弄明白讲授的内容。现在,所有人都要面对这种局面,而我早就在这样做了。我无法拒绝这个任务。
1700935485
1700935486
“于是,我开始在课堂上讲授相对论。现在,这门课在LIGO项目里占有非常重要的地位,因为整个项目就脱胎于这门课程。那是1968年,或者是1969年。就像我刚才讲的那样,我必须比学生早一天弄明白讲授的内容。这里面的数学知识让我吃尽苦头,我通过思想实验,努力弄懂所有内容。要知道,我是在自学这些内容。我不停地学习,因为这些数学知识太难了,我完全不懂。但是,我没有放弃。学习这门课的学生都非常不错,他们知道我也学得十分吃力,对我表示理解。令他们感兴趣的是,我上课时总在不停地介绍我的实验知识,这种现象非常罕见。你知道,教授广义相对论的人通常不会关注这些实验……学生们没有放弃这门课,是因为我教给他们的那些东西中有很多在其他地方学不到。
1700935487
1700935488
“学生们要求我讲解引力波方面的内容……我使用的教学材料是爱因斯坦的德语论文,因为我会德语……我从这些论文中得到了一个启示:让光束在物体之间来回运动,再测量这些光束的变化。这个方法并不复杂,但却非常新颖。这是整个广义相对论中,我唯一理解的内容。
1700935489
1700935490
“于是,我以思想实验的形式,提出了一个创意:‘我们通过在物体之间来回运动的光束来测量引力波吧。’这是因为光束的测量可以做到。整个创意是这样的:在这里放一个物体,把另外一个物体放在那里。让这两个物体成直角设置,并且自由悬浮在真空中。然后,在它们之间发射光束,就可以回答‘引力波对光在物体间传播所需时间有什么影响’这个问题了。这是一个程序化的问题,就像俳句一样,不是吗?你绝不会认为这个问题有任何研究价值。”
1700935491
1700935492
雷纳的想法是让镜子悬浮在空中,并在与地面平行的方向上自由摆动,然后观察引力波出现时镜子振荡的情况。记录下镜子之间的距离变化,就可以知道时空形态的变化情况。由于光速是恒定的,利用光沿轨道传播的时间就可以测量出整个路径的长度。如果光的传播时间稍有变长,就说明镜子之间的距离增加了。如果光的传播时间稍有变短,就说明镜子间的距离缩短了。
1700935493
1700935494
即使再精密的钟表,也无法捕捉到光线传播时间的微小变化。雷纳想出的办法是,利用悬浮的镜子制造一台更精密的仪器——探测器。探测器由两条相互垂直的干涉臂构成,激光沿着两臂传播,而不是在一条干涉臂中来回振荡。从激光器中发射出的激光被分光镜分成两束且强度相同,一束沿着其中一条干涉臂运动,另一束则沿着另一条干涉臂运动。两束激光在干涉臂两端的镜面上发生反射后,沿着两条干涉臂回到分光镜,经过合并干涉之后产生两种结果。如果激光在两个方向上的传播距离相同,那么两束激光汇合后的一个结果是光强会变得更强,另一个结果是光完全消失,剩下一片黑暗。如果两条干涉臂长度不同,两束激光的汇合就不完美,从一定意义上讲属于不同步。
1700935495
1700935496
“班上有很多学生都被这个思想实验吸引住了。
1700935497
1700935498
“那门课程带给我的收获是,有几名研究生决定跟随我一起研究这个项目(那个实验室真是太美妙了)。我的脑海里经常会浮现一个疯狂的情景:飘浮着的物体,在物体间来回运动的光线。这个想法看起来并不那么难以理解。”
1700935499
1700935500
整整一个夏天,雷纳都在考虑这个问题。后来,随着理论上取得进展,以及实验从未停止,他终于在当时还没有被拆除的“夹板宫殿”里制造出一个小型原型机。在这个不大的仪器顶端和两条1.5米长的L型臂的两端装有镜子,但是由于灵敏度不够,它根本不可能探测到时空形态的任何实质性变化。不过,这台原型机是对制造引力波探测器的想法的验证,也统一了他们的思想。随后,雷纳和他的学生提出了一些假设数据。他们希望在恒星爆炸产生的引力波到达地球时,或者在两颗沿轨道运行的黑洞引发时空振荡,最终相互碰撞合并成一个大黑洞时,可以利用他们设计的算法,对这些假设数据加以检验。为了让这个“该死的东西”发挥作用,他们必须等到晚上地铁停运之后才能干活,因为在“红线”地铁从麻省理工学院旁边隆隆驶过时,仪器中的反射镜会发生没有研究价值的摆动。而且,只要有卡车从建筑物后面经过,这些镜子就会错位。雷纳想了一个办法,他在周末封堵了瓦瑟大街。就这样,在近乎荒谬的条件下,雷纳的原型机开始发挥作用。进一步思考你会发现,这些条件也许正是他们需要的。在谈到这次壮举时,雷纳坐直了身体,头高高地扬起,紧闭的嘴角露出一丝笑意。
1700935501
1700935502
第二次世界大战爆发时,美国政府毫无心理准备,草草搭建“夹板宫殿”就是政府亡羊补牢的表现之一。经过一番内省,美国人十分感触,他们发现美国缺少一支训练有素的科学家和工程师队伍,这肯定会阻碍军事研究的发展。在战争压力的逼迫之下,美国开始以搭建“夹板宫殿”的速度发展科技,两者的不同点在于后者的产值可能更高一些。强烈的动机在战争还未结束时就催生了一些非常重要的技术(比如,雷达和微波技术),到了和平时期,这些技术又被迅速应用到日常生活中。尽管在20世纪60年代,“夹板宫殿”里的这个实验室仍然依赖于美军联合勤务部门的资助,但是雷纳很肯定地告诉我,军方只对他们提出了一个附加条件或者指令性要求:资助的款项必须用于对从事有科研价值的研究的科研人员和工程师进行培训。
1700935503
1700935504
“不,不,这些研究不属于保密范围。军方真的是最慷慨的资助者。当时,他们被越南战争等问题弄得焦头烂额,军方认为,他们的当务之急是对科研人员进行培训(很显然,这个观点是不正确的)。他们希望提前做好准备,以免将来需要完成某个‘曼哈顿计划’或者筹建某个辐射实验室时,再次陷入捉襟见肘的境地……他们一心希望培养出优秀的科研人员,至于这些科研人员将来研究什么,他们根本不关心。”
1700935505
1700935506
20号楼就是一个明证。崇尚创造力、自由以及其他优秀品质的美国人,纷纷涌入这个科研“圣地”,开始了孜孜不倦的研究工作。战场上取得的胜利令美国人趾高气扬,也为“夹板宫殿”里的研究提供了动力,让这种与其说是紧张不如说是愉悦的探索研究工作持续了50个年头。战争留下的另一笔遗产是与这类研究相配套的资助体系。雷纳认为,他之所以回到麻省理工学院当老师,就是因为军方资助所具有的自由性。雷纳说:“我甚至不需要提交申请报告,而是直接去找实验室的负责人,他们就想办法为我筹集了5万美元研究经费。这可是一大笔钱啊,我用这笔钱购买了材料,建造了这台原型机。”
1700935507
1700935508
在“夹板宫殿”奇怪的学术氛围中,研究成果要么发表要么舍弃的压力不像外界那么大,这使得雷纳摆脱了各种烦琐的规则,以高标准完成自己的研究工作。专业期刊绝不应该刊发任何不完整的研究结果、没有成功实现的想法以及粗制滥造的实验。在学术界疯狂的论文发表潮流中,不乏投机钻营、功利主义的成分,而这正是雷纳避之唯恐不及的东西。他说:“我的短板之一是没有发表多少研究成果,有好几次我都因为这个问题陷入困境。我也不知道最终会怎么样,也许会万劫不复吧……后来,我因为这个问题也吃了很多亏。”
1700935509
[
上一页 ]
[ :1.70093546e+09 ]
[
下一页 ]