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1700935857 “我不是LIGO科学合作组织的正式成员,你们为什么同意我看这些东西呢?”
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1700935859 杰米笑了,用手肘轻轻地捅了我一下:“难道你回家后也准备建造一台探测器?”
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1700935861 如果有人想自己建造一台探测器,那么他需要完成以下工作。第一,寻找一个不会发生地震的地方。第二,建造两个相互垂直成L形的管道,越长越好。当有引力波经过时,干涉臂就会发生极其微小的伸展、收缩变化。可探测的引力波强度取决于被称为干涉臂的两根管道的长度。通常,引力波可以使干涉臂的长度发生十万亿分之一的变化。如果干涉臂过短,其探测引力波的灵敏程度就会降低,可能无法发现长度上的微小变化。
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1700935863 第三,在L形管道的拐角处,放置一台大功率的高能激光器,将激光发射至分光器。顾名思义,分光器的作用就是将激光分成两束,一束激光进入其中一条干涉臂,另一束激光进入另一条干涉臂。然后,抽空管道里的空气、致污物和所有颗粒状物质。这一步非常重要,可以确保激光畅通无阻地从空无一物的管道中通过。让管道实现真空是一个大难题。管道中不能有空气,否则就会散射、吸收激光,从而影响激光的运动。激光在全尺寸探测器内运动整条臂的距离大约需要十万分之一秒的时间。
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1700935865 第四,选用尽可能细的绳索,把光滑平整的反射镜悬挂在干涉臂的末端。以这种方式悬挂的反射镜,可以做自由度非常高的横向运动。空间一旦发生振荡,反射镜就会“随波逐流”,沿着管道的方向自由摆动。
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1700935867 第五,利用这些做工精致的镜面的反射作用,让激光沿干涉臂原路返回,并且在起点处汇合,此时,从一条干涉臂返回的激光将与从另一条干涉臂返回的激光在分光器处发生干涉。如果两束激光的传播距离正好相等,那么它们在干涉图样的亮斑处就会完全重合,在暗斑处则相互抵消。如果一条干涉臂的长度稍有缩短,而另一条干涉臂的长度略有增加,那么两束激光的传播距离就不会相等。在它们重新汇合时,干涉图样可以记录下两束激光在传播距离上的微小差值:大约是质子直径的千分之一。换算成传播时间,就是1027分之一秒。做到这一步之后,你的探测器就可以投入使用了。
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1700935869 重复上述步骤,因为你至少需要两台探测器。第二台探测器必须远离第一台。第二台探测器的作用不仅在于确认第一台的探测结果是正确的,而不是空欢喜一场,它还要确定引力波的位置。在地球上使用两台探测器,与每个人长着两只耳朵有异曲同工之妙。
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1700935871 也就是说,我们可以参考草图,建造L形管道,把它们抽成真空状态,发射激光,挂上几面镜子,让激光汇合,观测激光的干涉图样,就可以探测到引力波了。这真是太简单了。
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1700935873 几乎可以肯定的是,你会认为这个实验非常简单。刚开始的时候,雷纳·韦斯的想法确实非常简单:让镜子自由地悬浮在空中,使之可以随着引力波晃动;然后,在这些镜子的周围建造一个探测器。不久前的一天,雷纳气急败坏地从一个LIGO探测器的主实验室走了出来,嘴里还说着一些难听的话。当时,他们正在安装高新激光干涉仪。在场的一位同事不知道自己是否应该说些什么,就随口问了一句:“进展如何,雷纳?”
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1700935875 “该死,这台机器太复杂了!”雷纳头也没回地边走边大声喊道,“真是太复杂了!”
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1700935882 引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” [:1700935346]
1700935883 引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第7章 蓝皮书与三巨头
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1700935885 The Troika
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1700935887 学术批评的道德伦理标准可能大同小异。即使受到批判的是某个特定组织独有的成果,情况亦如此。对于科学界而言,犯错实际上就是犯罪。可验证性是所有科研活动的根本准则。你宣布在实验中探测到了引力波,但是,全世界的许多科学家利用相同的设备做实验却一无所获。这种虚报成果的行为不仅会让你一无所获,还会让你名誉扫地。韦伯肯定相信自己对数据的统计分析是正确的,我也认为韦伯不会故意歪曲实验结果,甚至大多数人都会同意我的观点,然而,并非没有人持相反的观点。
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1700935889 在韦伯棒实验失败之后,了解情况的雷纳·韦斯、基普·索恩和罗纳德·德雷弗都有足够的理由远离这个泥潭,以免玷污自己在科学界一向洁身自好的形象。但是,这三个人都没有退缩。他们各自独立思考了这件事的前因后果,不谋而合地认为韦伯为他们指出了一条光明大道。罗纳德在花了一些时间考虑地理方面的因素之后,决定开始研究激光干涉仪。雷纳在不经意间知道了激光干涉仪之后,就立刻被它吸引了。基普在踏上激光干涉仪研究的征程之前,先是有条不紊地收集实验人员的建议。
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1700935891 基普在他的著作《黑洞与时空弯曲》(Black Holes and Time Warps)中引用了爱因斯坦的一段话:“在黑暗中默默探索的岁月里,真理似乎唾手可得但又无以言表的感觉,让我们萌生强烈的探求渴望,让我们忍受自信与疑虑的交替折磨,直至最后我们拨云见日,一切豁然开朗。但是,其中的酸甜苦辣没有亲身经历过的人是无法体会的。”韦伯一夜之间声名鹊起,随后又名誉扫地,一喜一悲的大起大落,肯定也令这些真理探索者深感不安。因此,众多实验科学家放弃了这个领域。就整个科学界而言,人们肯定不愿意掏出真金白银,投资研发那些吃力不讨好的新技术设备。风险规避意识已经深入人心。韦伯棒至少不需要大笔投资,但如果建造激光干涉仪,仅用地板胶垫和苏格兰汽修厂的备用蓄电池,显然是不够的。在众多科学家的眼中,引力波的探测工作已经无疾而终了。
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1700935893 但是,基普、罗纳德和雷纳在“强烈探求渴望”的驱使之下,希望可以继续这项艰苦的工作,探求“似乎唾手可得但又无以言表的真理”。他们辛勤耕耘、“在黑暗中默默探索的岁月”远远超出了他们的预期。他们不停地努力,以期实现“拨云见日,一切豁然开朗”的重大突破。虽然韦伯的经历可能会让他们名声受累,给他们带来种种阻碍,但他们认为这不过是科研活动的一个不可避免的部分。他们已经全身心投入其中,其他团队的竞争只会驱使他们更加努力,通向巅峰的那条路是他们眼中看到的唯一前进方向。
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1700935895 在罗纳德·德雷弗和斯坦利·惠特科姆在加州理工学院建造那台40米原型机的同时,雷纳也确定了自己的研究方向。此时,他已经完成了大量的理论研究工作,而且得到了基普的大力支持。尽管加州理工学院团队与麻省理工学院团队之间保持着畅通无阻的交流与沟通,但是雷纳与罗纳德的原型机大不相同,某些基础性技术的思路也截然不同。至少在罗纳德的眼中,他和雷纳在某种程度上存在着竞争。刚开始时,雷纳给罗纳德留下了深刻的印象。罗纳德说:“从一开始,他就安装了大量的部件,包括真空管、激光器等。所有主要部件,很早就已经准备好了。但是,让我感到奇怪的是……多少年过去了,他似乎再无进展。”遗憾的是,他说这番话时的腔调以及抑扬顿挫的苏格兰口音,都无法在这里表现出来。
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1700935897 雷纳手上的资金不足,得到的支持也不多。他回忆说:“当时,我竭力向系里解释我为什么要探测引力波。我告诉他们,我的动机之一是寻找黑洞。可是,他们说黑洞根本不存在,让我不要再提这件事。这一幕至今还清晰地留在我的记忆中。
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1700935899 “麻省理工学院没有成为LIGO项目的启动地点,这是一个非常重要的原因。麻省理工学院的一些教授是我的朋友,虽然他们没有旗帜鲜明地反对我的这个项目,但是一些有影响力的人坚持认为,所有可以证明黑洞存在的证据,在黑洞不存在的情况下也可以得到合理解释。这种观点彻底破坏了那里的引力波研究氛围,麻省理工学院再也不是现代万有引力研究的有利环境了。”
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1700935901 雷纳的第一批以引力波作为毕业论文题目的学生遭到了论文答辩委员会的刁难。这些学生建造的1.5米原型机的灵敏度不高,绝不可能捕捉到真的从太空中传来的声音。即使太阳爆炸,这些机器也不会有反应。论文答辩委员会的一位成员挖苦他们说:”我们直接看看窗外,效果也比这些机器好。”直到现在,雷纳仍然对此耿耿于怀,总会咬牙切齿地说一句“真没眼光”。在这些原型机的制造技术以及用于理解假设数据的前瞻性算法中,融入了这些学生的大量奇思妙想。一名学生想要探测正在发生爆炸的恒星,还有一名学生希望能观测到黑洞碰撞的过程。的确,机器的灵敏程度与探测到这些声源的真正要求之间相距甚远,但是他们的努力已经为未来的研究工作绘制了一幅蓝图。雷纳说:“孩子们深入思考的一个问题仍然是:要在物理学上取得杰出成就,路到底在何方?”雷纳和他的学生们没有取得可以公开发布的科研成果,在天体物理学领域,他们还没有任何发言权。
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1700935903 雷纳一直认为,要确保激光干涉仪发挥探测作用,它的体积就不能太小。他非常清楚那些以噪声形式表现出来的物理限制。学生们纷纷想出各种办法,尽量降低背景噪声,为真实信号抗衡背景噪声创造条件。但是,与他们所期待的来自太空的声音相比,噪声的强度仍然要高出成千上万倍,甚至几百万倍。每次检查探测器的可靠性,它的投影比例尺就会随之增加。雷纳知道,他再也不会建造新的原型机了,因为他希望从事的是科学研究。他努力压抑自己的本能,却被迫走上了一条不愿意走的道路。根据亲身体验,他知道大型项目往往意味着徒劳无功的努力、无穷无尽的麻烦,以及让人抓狂的管理难题。但是,科学研究却要求他完成一个大项目。他需要建造的不是1.5米原型机,也不是3米原型机,甚至不是40米原型机,而是一台巨大的机器。他唯一的可行性选择是建造一台千米级的机器。雷纳说道:“我不喜欢大科学。但是,要做这个实验的话,就必须大兴土木。这是继续这个项目的唯一方法,是科研活动提出的要求。如果你说你可以用一台小型机器来完成这个项目,那你一定在吹牛。”
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1700935905 到1979年年底,雷纳已经和他的原型机共度大概10年的光阴了。10年来,这台机器已经被他用到了极致。他决定前往华盛顿,说服美国国家科学基金会万有引力物理学项目的负责人里奇·艾萨克森。很多人认为,引力波项目之所以能够维持下去,应该全部归功于艾萨克森一个人。基金会已经拨付了几笔数额不太庞大的资金,用于支持探测器的更新换代。加州理工学院的罗纳德得到了一些资金,麻省理工学院的雷纳也获得了一些,不过金额不及罗纳德。扩大规模的工作令雷纳畏惧不已。在他的那间小实验室里,所有的东西都可以通过手工方式制作出来,而规模扩张需要耗费大量的财力和时间。但是,引力波探测器实验需要在一个遥远的地方辟出一大片地,还需要建造一台复杂得多的机器。无论从哪个方面看,规模都不会很小。因此,雷纳必须与美国国家科学基金会共同探讨这项工作。
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