历史上探测引力波的真正先驱——约瑟夫•韦伯

2017-03-07作者:张天蓉编辑:谢爽

当下引力波探测的先驱是LIGO科学合作组织,但我们不要忘了历史上探测引力波的真正先驱——约瑟夫•韦伯(Joseph Weber,1919—2000年)。

 

从20世纪60年代开始,一直到70年代,正是广义相对论、引力及黑洞研究的黄金年代。但大多数专家们基本上都是用数学研究理论,顶多听听来自天文界的新发现、新消息,没人对真正探测到引力波感兴趣。因为大家都知道,即使宇宙中存在引力波,探测到它的机会也是小之又小,因为它们的强度太弱了。可是,在美国的马里兰大学,不信邪的韦伯教授却一意孤行,决心进军引力波探测的实验领域。

 

韦伯1919年出生于美国新泽西州派特森市,父母是德国犹太移民。韦伯在第二次世界大战中是一名海军军官。战争结束后,他读完了博士并成为马里兰大学的工程系教授。后来,他对相对论表现出的浓厚兴趣,促使他利用得到一个奖学金的机会到普林斯顿高等研究院追随惠勒学习理论物理。后来,韦伯又从马里兰大学的工程系转到物理系当教授。


 

实际上,韦伯在电子工程方面颇有成就,在激光和激微波(maser)研究方面,几乎与查尔斯•汤斯等同时作出了开创性的工作。汤斯等三人后来因此项发明而获得了1964年的诺贝尔物理学奖,却无人提及韦伯的贡献。之后,韦伯有些气馁,将他的研究方向转到探测引力波上。

 

科学家们作研究的原动力本来是来自于了解未知世界的欲望和兴趣,但研究的结果却有失败和成功。后人从考察科学历史的角度看起来,决定将要研究的课题有时候真像是在下一场赌注。有的赌注很快就得到兑现,有的却长时期不见分晓,也许耗尽你一生的心血和精力却一无所获。韦伯探测引力波可以算作一个失败的例子。他借用了电磁波的探测技术,制造了一个探测引力波的“天线”。他的想法很简单,所谓天线,也不过就是一个铝制的共振大圆筒,见图5-5-1。


图5-5-1韦伯和他的引力波探测器


根据韦伯的想法,引力波会与物体发生作用,因而有可能被探测到。探测天线应该使用一大块质量。当时韦伯建造了一个长2m、直径1m、质量1000kg的铝质实心圆柱,用细丝将圆柱悬挂起来,这样就能使得振动时的能量损失率很小。人们将这种棒状的(大铝筒)引力波探测器称为“韦伯棒”。根据计算,可得到韦伯棒的固有频率在500~1500Hz的范围内,如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致,便会引起它的收缩和拉伸效应。将这种效应通过安装在圆柱周围的压电传感器检测出来,转换成电信号并使用电子线路放大后输出,便可得到相应的引力波的图像。

 

为了避免地震和其他振动(比如汽车、火车、飞机等)的干扰,韦伯在相距1000km的地方放置了两个相同的韦伯棒,只有当两个探测器都同时检测到振动的时候,信号才被记录下来。两个韦伯棒,一个放置在马里兰大学高尔夫球场的洞穴里,一个放在芝加哥的阿贡国家实验室。


1969年,韦伯宣称他的探测器得到了可靠的结果,立刻引起轰动,他被邀请四处做演讲。那年的韦伯有50岁左右,头发花白、精干消痩,谈起他的引力波实验便激情澎湃,是个颇为受人敬重的学者。当时,韦伯的宣称带动了世界各国各地的科学家,大家都相继建造了类似的铝质圆柱形探测器。为了减小噪声,实验者纷纷采取各种措施改进设备,变换共振棒的制作材料,使用更为复杂的减震、低温、真空等方案以排除干扰。但是,几年下来,这些探测器都没有得到令人信服的探测到引力波的证据。最后人们的结论是认为韦伯搞错了。1973年在牛津大学及1974年在麻省理工学院的两次相对论讨论会上,学者们明确表明了对韦伯引力波实验结果的不信任,认为韦伯误判为引力波的信号是噪声。当时在牛津大学,记者对会议新闻报道的标题就是“再见,韦伯的引力波”。麻省理工学院的那次会议上争论更是激烈,韦伯的学者形象大大受损,双方吵得不可开交,几乎快要动手打起来。最后,据说是会议主持人,麻省理工学院的Philip Morrison教授,一个颇富绅士风度的学者,一瘸一拐地走过去,借助于他的拐杖的威力才将怒目相视的两边分开。

 


韦伯在1964年左右也曾经考虑过使用激光干涉仪来探测引力波,但那时候的激光技术太不稳定,不容易控制,因而没有付诸实践。后来,韦伯的学生罗伯特•福尔沃德在加利福尼亚休市研究所的实验室里,建造了世界上第一个利用激光干涉的引力波探测器,但很难得到高灵敏度。因此,韦伯和许多研究者仍然继续不断地制造和改进棒状引力波探测器,认为它们比激光干涉探测器具有更高的灵敏度。

 

20世纪80年代,随着激光和镜面工艺的进步,基于激光干涉的引力波探测器开始成为研究热点。实际上,从现在的观点来看,不论是哪一类型的探测器,其灵敏度都受限于量子力学中的不确定性原理,称之为量子极限。也就是说,真空中的量子起伏噪声是限制测量灵敏度提高的根本原因。80年代后期,加州理工学院的Jeff Kimble小组研究的压缩态激光突破了这种经典量子真空噪声的极限。不确定性原理的意思是说,相互共轭的两个变量,比如振幅和相位,测量误差的乘积囿于一个不可能同时测准的极限区中,但利用压缩态的光,则可能使得这两个共轭量中的一个压缩到极小的范围,另一个增大,两者的乘积仍然不变,但对被压缩的那个变量,噪声可以减至最小,从而提高测量的灵敏度。

 

激光干涉引力波探测器有了关键性的突破后,几个国家都相继投资建造了几个大型的新一代激光引力波探测器,包括美国的LIGO、德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本计划中的KAGRA、澳大利亚计划中的AIGO等。


 

这个领域的风向标转向了激光干涉引力波探测器,只有韦伯的目标仍然始终如一。在后来多年缺乏研究经费的艰难条件下,他还在坚持不懈地研究他的实心棒式引力波探测器,直到2000年以81岁高龄去世。

 

不过,后人并没有忘记韦伯对引力波探测的执着和努力。他的实验虽然不成功,却开创了一代先河,激励了许多年轻科学家探测引力波,将他们吸引到这个方向来。实际上,LIGO创始人之一的索恩,便是当年这些年轻人中的一员。可以说,如果没有韦伯的失败,人类也可能没有这么快就尝到了探测到引力波的喜悦之果。

 

成功往往是建立在多次失败的基础上。即使是2015年引力波事件中的成功者索恩,就曾经有过两次在关于引力波探测的问题上与人打赌:第一次索恩说在1988年5月5日之前将探测到引力波;第二次又说在2000年1月1日之前将探测到引力波。当然两次赌注都输了,不过,2015年那次他没有玩与人打赌的小游戏,却最终成了举世瞩目的大赢家。

 

在2016年2月11日的发现引力波新闻发布会上,人们多次提到韦伯的工作。韦伯的遗孀、天文学家特林布尔也被LIGO邀请到现场,坐在听众座位的第一排。索恩在发布会后接受记者采访时,评论韦伯说:“他的确是这一领域中真正的父辈先驱。”


内容来源:书问

作者张天蓉
出版清华大学出版社
定价39.8元
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