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“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。”
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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。
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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。
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“班上有很多学生都被这个思想实验吸引住了。
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“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。”
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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。
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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。
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“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。”
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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。”
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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。”
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雷纳敢于尝试,注重实际,讲求效率,但是没有政治野心。他做实验的动机非常单纯,就是出于好奇心,对自己的职业发展规划却漠不关心。他说:“我甚至没有考虑终身教授申请年限的问题,这不是我应该考虑的事情。我是一名教授,既然他们聘任了我,我就应该尽自己最大的努力做一些有价值的事。让那些乱七八糟的东西见鬼去吧!”他的洒脱让他能够专心做研究,敢于冒险,也让他显得特立独行。人们对产生引力波的天体现象仍然知之甚少。实验需要大量投入,但是前景渺茫进展缓慢,而且不知道是否具备原型机发挥作用所需的外部条件。因此,即使他成功地制造出这台机器,最终仍然有可能徒劳无功。
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“有人告诉我,系里担心我终将一无所获。他们认为我从事的项目不切实际,建议我脚踏实地地做一些能迅速见到成果的研究。我能接受这样的建议吗?当然不能,我只想研究一些有价值的重要问题,我才不关心需要耗费多少时间呢!
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“伯尼·波克是天体物理部门的负责人,后来成为我的指导老师。我并不愿意伯尼担任我的指导老师,但是有什么用呢?他坚持做我的指导老师,伯尼的处事方式就是这样。他不停地敲打我:‘你研究的这些东西没有任何意义。看吧,如果你固执己见,你将永远做不成终身教授!’(当时我连终身教授是什么,也没有搞明白。)”
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雷纳不可能要求学生在探测器这个项目上花费太多时间。攻读学位需要学习和掌握大量科技知识,而这个项目的生命周期将远远超过学生们攻读学位所需要的时间,尽管雷纳没有说明两者之间到底相差多久。此外,雷纳也承认,他的同事肯定会对他的这个想法嗤之以鼻。完全符合要求的机器,还是一个遥不可及的梦想。同时,他的这个创意不仅需要灾难性的天文现象引发时空振荡,而且振荡的程度必须足够强,才能被机器捕捉到。更何况,符合这些条件的天文现象也许根本不存在。面对不绝于耳的质疑声,雷纳无言以对。
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此时,雷纳面临着科研道路上一个司空见惯的抉择。要实现科研目标,雷纳需要制造无比庞大的机器。这台机器至少长几公里,比原型机大好几千倍,甚至比麻省理工学院的校园还大。这么大的规模实在令人匪夷所思,足以成为该项目被放弃的理由。另外,在成果发表方面,雷纳仍然没有任何进展。他的学生只好改换门庭,纷纷转投其他主流项目。雷纳本人也差点儿没有得到终身教职,得不到终身教职就相当于被辞退。祸不单行的是,美国军方联合勤务部门突然停止了对实验室的资助,导致那种舒适惬意的探索研究氛围一下子就不复存在了。“这一切变故的罪魁祸首是越南战争……遗憾的是,在越南战争的影响下,美国国会通过了曼斯菲尔德修正案,这让我陷入了麻烦……从此以后,美国军方的资助就停止了。事实上,科研团队与美国军方是签订了资助合同的,但是后者莫名其妙地就忽视了这个事实。这种情况非常糟糕,要知道,越南战争让美国人深恶痛绝,停止资助是反越南战争运动的一个部分……但是,我的研究项目与军事没有任何关系。于是,我写了一份申请报告,这是我平生第一次写这样的报告。”
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1973年前后,雷纳写了一份申请报告,请求美国国家科学基金会同意他使用原型机继续他的研究工作。但是,这份报告遭到了拒绝。由于得不到资助,又不能用有前景的规划将学生留在实验室里,雷纳只好改弦更张,集中精力从事另外一项宇宙学实验——测量大爆炸的余光。(说到这里,雷纳表达了对伯尼·波克的感激之情。正是因为伯尼的干预和一些有益的建议,雷纳和他的学生才能够摆脱困境,去进行一些重要的宇宙学实验。)在新的研究领域里,他卧薪尝胆,取得了不错的成绩,但他当初那个有点儿疯狂的创意似乎要被束之高阁了。
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申请报告遭到拒绝,雷纳感到十分失望。大约一年之后,马克斯·普朗克科学促进协会的一位德国物理学家给雷纳打了一个电话。雷纳回忆说:“给我打电话的是亨兹·比林斯。他希望了解探测器制造工作取得了哪些进展……他们对我的这个创意十分感兴趣,希望了解后续内容。”雷纳一直躲在20号楼里研制这台探测器,除了在一次内部报告中提过,他再也没有公开他的研究工作。那份内部报告也许会在小圈子里流传,但绝不会出现在福斯图书馆里。因此,他实在想不通比林斯是如何得知这台探测器的。对于这个问题,比林斯的回答是,他的消息来源于雷纳提交到美国国家科学基金会并遭到拒绝的那份申请报告。雷纳怀疑,国家科学基金会肯定广泛征求了意见,引力波研究领域中的所有相关人员可能都收到了雷纳的这份申请报告。
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“当时,我们的研究进展并不顺利。但令我们意想不到的是,他们也开始了这方面的研究。我的意思是,他们非要这么做的话,我们是无法阻止的。事实上,马克斯·普朗克科学促进协会的研究团队资金充足,已经完成了早期研发阶段的大部分工作。我一直都很羡慕那些研究资金十分充裕的人。他们有资金,还有一大群经验丰富的专业研究人员……因此,他们启动了探测器研究项目(当时大概是1974年),而我的研究却陷入了举步维艰的境地。”
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对于德国人取得的进展,雷纳既高兴又羡慕。他向美国国家科学基金会提出抗议,因为他的申请遭到美国的否决,而德国人却以最有意义的方式对他的申请表示支持。他的理由非常充分,美国国家科学基金会迫于压力,为他拨付了一笔足以完成原型机制造的资金。此时,由于资金充足,精心组建的德国工程师团队“已经在探测器研制工作中,取得了喜人的成绩”。德国人的探测器有3米长,外观十分漂亮,但是与雷纳的探测器面临同样的问题:体积过小,无法探测到引力波。因此,这台探测器不具有任何实际价值,不过是探测器的微型模型。
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雷纳的创意已经散播出去,变成了某种实实在在的机器,而且尺寸不断增大,技术也在不断发展。其他科研人员在了解这个创意之后,利用手头的工具,将一个个抽象的概念变成由金属和激光构成的实物。雷纳的劣势非常明显,他知道横在自己面前的是一条难以逾越的鸿沟。最终建成的全尺寸探测器应该是让人们为之疯狂的天文学仪器,也是将声频工程技术发挥到极致的录音装置。但是,他没有办法实现这个目标,只能眼睁睁地看着其他人将这个美丽的梦想变成现实。他默默地守在实验室中,在新老学生的交替中,悄悄地从事着探测器的相关研究。与此同时,他也在其他的前沿实验中取得了一些成功。雷纳的人生道路始于制造高保真音响以便能“轻松听音乐”的梦想,而现在,他躲在一个毫无竞争力、破烂不堪的实验室中,为一个走在世界前沿却被低估的项目不懈努力。
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雷纳说道:“就在这时候,我结识了基普,之后我的人生发生了重大变化。”
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[1]埃利斯岛在1892—1943年是美国的移民检查站。截至1943年,估计有1 700万移民在该岛上接受移民局审查进入美国。——译者注
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引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第3章 广义相对论
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