從大學輟學生到發明引力波探測器
麻省理工學院的雷納?韋斯在LIGO試驗台前。他於1972年構想了引力波探測器的概念
北京時10月5日17時45分，2016年諾貝爾物理學獎授予了戴維?索利斯、鄧肯?霍爾丹和邁克爾?科斯特利茨，以表彰三位物理學家發現了物質拓撲相以及在拓撲相變方面作出的理論貢獻。
諾獎的獲得者名單往往都是難以猜測，今天，就讓我們來了解一下今年原本的諾貝爾物理學獎大熱門雷納?韋斯極不平凡的人生。
大約50年前，雷納?韋斯（Rainer Weiss）就想到了探測引力波的辦法。引力波是愛因斯坦廣義相對論引力理論中所預測的無限小的時空漣漪。去年9月，關於引力波的預測終於夢想成真，1000名物理學家通過激光干涉引力波天文台（LIGO）分別位於路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的兩個巨大的探測器，終於在2015年9月檢測到了引力波：十億光年外兩個巨大黑洞碰撞時產生的脈衝波輻射。
周圍同事們猜測，麻省理工學院（MIT）物理學家韋斯有很大可能因這一發現而獲諾貝爾獎（2016年諾獎已公布，雷納?韋斯未進入今年獲獎名單）。如今已83歲的韋斯，一邊敏捷地開著他的銀色大眾甲殼蟲敞篷汽車，穿行在坎布里奇的交通車流中，一邊表示對此並不樂觀。關於韋斯，他的朋友們會告訴你他是怎樣的一個人：性情直率、風趣幽默，最重要的是，任何妨礙到他工作的人和事都會讓他感到焦躁心煩。
雷納?韋斯的人生故事
無論從哪個方面衡量，韋斯的人生經歷都是極不平凡的。他於1932年出生在柏林，後與他的家人一起逃離納粹統治來到美國。他在紐約曼哈頓上西區長大，作為一個擁有極強底層生活能力，還擁有鼓搗一些機械電氣玩意的天賦能力的孩子，他成功組裝了自己的高保真音響系統並售出賣錢。他曾在麻省理工學院就讀本科，但中途輟學，後來經過自己的努力在這個學校獲得了終身教職，成為一名優秀的物理學家，並為有史以來最大膽的實驗嘗試——激光干涉引力波天文台一直奮鬥了40多年，並一直工作到現在。「他是我所知道的電烙鐵用得最好的人。」麻省理工學院LIGO物理學家戴維?休梅克（David Shoemaker）說道。
在休梅克的推薦下，韋斯作為一名沒有獲得本科學位的大學輟學生，順利進入麻省理工學院研究生院學習。「他不走常規路，我想這就是他的天性，而且他是一個非常願意幫助別人的人。」
韋斯也以性格直率而出名。「他將百分之百的精力都投入了物理學研究。」紐約錫拉丘茲大學的一位LIGO物理學家彼得?索爾森（Peter Saulson）說道。20世紀80年代他與韋斯同在麻省理工學院共事。加州阿拉莫的一位退休物理學家、韋斯早期的一位研究生德克?穆爾納（Dirk Muehlner）深表同感，「他是一個誠實坦率的人。」他說。
有人會說，大學輟學就意味著人生失敗。但韋斯不會因此而氣餒。然而對於韋斯來說，扭轉命運也並非是一帆風順的事。韋斯是一個擅長講故事的人，他會聲情並茂地講述他的人生故事。他將過去的種種細節，一些看似不相干的小事，貫穿在一起，鬆散的情節、不同的版本，表明他的人生並不是一本開放的書。事實上，韋斯的故事本身似乎含有一些更微妙的意義。
麻省理工學院里，他簡樸的辦公室在磚瓦結構建築的二樓，韋斯就坐在一個小木桌子後面，桌子上有一個大洞。在平板顯示器出現之前，韋斯帶著工具以調整笨重的電腦顯示器。帶著斷斷續續的紐約口音，韋斯對記者講述著他的人生故事。
雷納?韋斯的父親弗雷德里克?韋斯（Frederick Weiss）出身於一個富裕的德國猶太人家庭，是一位神經學家，母親格特魯德?洛斯納（Gertrude Loesner）是一位女演員。格特魯德懷孕時，弗雷德里克（熱忱的共產黨員）因在法庭上指證一名納粹醫生而招來了麻煩。納粹分子綁架了他，格特魯德的家人運用關係救他脫險。韋斯的父母於1933年結婚後很快逃亡到了捷克斯洛伐克首都布拉格，韋斯的妹妹於1937年出生在布拉格。韋斯說自己是一個快樂而魯莽的孩子，「我小時是一個很任性的小搗蛋。」他說。
不久，英國首相張伯倫簽署了一項協議，將捷克斯洛伐克地區割讓給德國，這一家人又再次走上了逃亡之路。他們於1938年9月30日晚聽到這個消息時，正在捷克北部的度假勝地塔特拉山度假，當旅館的收音機里響起張伯倫宣布的協議時，6歲的雷納非常有興趣地盯著收音機里的真空管看。一夜之間旅館裡人去樓空，所有的人都逃離了這裡。
1939年1月，希特勒的軍隊攻佔布拉格2個月前，韋斯全家移民到了紐約。「這是一個奇蹟。」韋斯說道。因為語言障礙無法通過醫療委員會的考核，弗雷德里克做起了心理諮詢的工作，最終成為著名的心理學家。格特魯德在百貨公司里打零工。這不是一個很幸福的家庭，「我的父親在家中獨斷霸道，總是壓母親一頭。」韋斯說道。韋斯說他在「善意忽略」的家庭環境中長大，「父母都不怎麼關心我的事，父親一切以自我為中心，整天忙著自己的事情。」他說。
青少年時期的韋斯對兩件事產生了極大興趣：古典音樂和電子器件。他開始利用淘來的一些零部件修理收音機，他甚至與當地的混混做了一個交易：拿著要修理的收音機在地鐵里來回，如果他們不來干擾他，他可以免費為他們修理收音機。「他們會偷東西，我不得不給他們修收音機，這不是一個好的交易。」
韋斯的妹妹、劇作家西比爾?皮爾森（Sybille Pearson）說道，韋斯儘可能的在外面混，而不願回這個不快樂的家。但是，作為唯一的兒子，在家人眼中他仍然是家中的王子。例如，每次搬進新公寓時，韋斯分配到的總是最大的一間卧室，她回憶道：「他是家中的寵兒。」
在學校他也不落人後，皮爾森說。「他聰明陽光，對一切都感興趣。」韋斯在哥倫比亞語法學校的同學邁克爾?瓦拉赫（Michael Wallach）也認同這一點。「雷納的科學能力在學校被廣泛認可的。」如今已是杜克大學退休心理學家的瓦拉赫說道，雖然他也補充說道，韋斯少年時也常在街頭惹事搗蛋，有一次在街頭混戰中弄折了一條腿。
其實，如果韋斯曠課，他也並不是在外面瞎逛，他的兒子本傑明?韋斯（Benjamin Weiss）說道，本傑明是一位歷史學家，波士頓美術博物館的館長。「他是去參加市政廳的鋼琴獨奏會。」本傑明推測：部分原因可能是對家庭氣氛的一種逆反反應。「這是一個德國逃亡者家庭的孩子，通過自己的一些行為來反叛父母，但他肯定不排斥自己動手去做一些事情。」
如果說韋斯快樂地度過了他的青少年時期，成年早期卻多有挫折。他申請就讀麻省理工學院學習電氣工程，希望可以解決高保真度音響設備的問題，但電氣工程的課程卻讓他失望，課程重點都是關於發電廠的，而與高保真音響沒有什麼關係。因此韋斯改學物理學專業。
然後在大三時，韋斯卻退學了。在楠塔基特島到波士頓的渡輪上，他結識並愛上了一名女子，她教會了他民間舞蹈和彈鋼琴。韋斯追著她到了伊利諾斯州的埃文斯頓。但他最後還是失戀了。「我墜入了愛河，完全瘋了。」他說，「當然，她不會繼續和一個瘋狂的人交往。」韋斯回到麻省理工學院想參加期末考試，卻發現自己已被學校退學了。
雷納?韋斯的事業之路
對此韋斯倒不是特別擔心。「人們會說，『大學沒有畢業，我的人生就完了！』哦，不，這並不代表人生就此完結。這要取決於我們如何去對待它。」他在麻省理工學院的20號樓里找到了一份工作，這是戰爭期間專為傑羅爾德?扎卡里亞斯（Jerrold Zacharias）進行研究的一幢臨時建築，他在這裡研究原子束、分子束和微波，並在這裡研發了第一個商業化的原子鐘。在扎卡里亞斯的指導下，韋斯於1955年讀完了學士學位，並於1962年獲得博士學位。
其他一些物理學家說道，扎卡里亞斯利用高精度的測量方法來探測基礎物理的原理，這種研究方法給了韋斯很大的啟發。但韋斯認為：他欠扎卡里亞斯一個更大的人情。「在我學業成績非常糟糕的情況下，是他讓我得以重返學校，並安排我進入研究生院學習。正是在他的幫助和支持下，我才能夠一路走來，直到在大學獲得終身教職。」他說。韋斯辦公室的牆上一直掛著他的恩師扎卡里亞斯的照片。
在普林斯頓大學的博士後期間，在物理學家羅伯特?迪克（Robert Dicke）的指導下，韋斯進行了引力測試實驗。1964年，韋斯回到麻省理工學院。當時作為初級教職人員，他很少發表論文，也沒有過多考慮自己的事業前景。麻省理工學院的休梅克說道，韋斯能獲得終身教職可能是由於他的教學能力。麻省理工學院名譽退休物理學家伯納德?伯克（Bernard Burke）也認同道，韋斯在早期是一位「喜愛設計小玩意的人」，一個不太可能獲得終身教職的人，除非他確實做出了一些不同尋常的成績。
不久韋斯就轉移了興趣，把注意力從引力轉移到測量所謂的宇宙微波背景（CMB）輻射，CBM是於1965年發現的一種在宇宙間普遍傳播的無線電波，當時已初步確定為宇宙大爆炸的餘輝，隨著宇宙的不斷膨脹，其波長會拉長，其溫度會變冷。
然而，直到1960年代末，科學家對於這兩者之間的關係仍然所知甚少。源自於大爆炸的輻射應該有一個「熱譜」，不平衡的峰值可表明輻射溫度的變化。幾組研究人員在較長的波長觀察到逐漸升高的「熱譜」，與絕對零度以上的3°C相一致。但在1968年，火箭測量發現大量與熱譜相衝突的較短波長的輻射光波，與宇宙大爆炸假說有矛盾。
為探索這一現象，韋斯和他的研究生穆爾納製造了一種儀器設備，可安置在氣象氣球上飛上天空，測量波長較短的微波頻譜。1973年，通過3次飛行實驗和一次重新組裝後的實驗，他們獲得了與熱譜相符合的可靠數據，並首次顯示出現峰值的線索。「這完全推翻了火箭測量的結果，在對微波背景感興趣的科學家群體中，韋斯突然成了明星之一。」伯克說道。
加州大學伯克利分校名譽校長羅伯特?貝格諾（Robert Birgeneau）稱，韋斯在麻省理工學院物理系的工作贏得了尊重，貝格諾於1975年至2000年期間曾在麻省理工學院工作。「在麻省理工學院，他受到人們的普遍尊敬，人們尊敬他對科研的激情，以及在真正重要的物理學領域內進行探索的勇氣。」
20世紀70年代，雷納?韋斯因通過氣球實驗研究宇宙微波背景而揚名
對宇宙微波背景研究的成就不僅讓韋維斯獲得了大學終身教職，也促使他在科學界更廣泛的領域內起到主導作用。1976年，美國國家航空航天局（NASA）計劃開展宇宙背景探測器（COBE）衛星的項目，這一項目的科學工作小組推舉韋斯為帶頭人。該項目於1989年正式啟動，COBE精確測量了微波頻譜，確切證明宇宙微波背景（CMB）是有熱譜的，探測到天空中從某個點到某個點CMB的十萬分之一的微小溫度變化，即新生的宇宙中微小量子波動的痕迹，這是宇宙學標準模型的基本。2006年，美國人約翰?馬瑟（John Mather）和喬治?斯穆特（George Smoot）分別因測量宇宙微波背景的黑體形式和各向異性而分享了諾貝爾物理學獎。
一些物理學家認為韋斯應該共享這個獎項。「他與諾獎擦肩而過。」錫拉丘茲大學的索爾森說道。但韋斯自己認為，他雖然在自己擅長的領域內對COBE做出一些貢獻，但並不適合於領導一個大的科學項目。「他是一個很好的合作者。他還是一個知人善任的人，知道如何發揮每個人的特長。」在馬里蘭州美國宇航局戈達德太空中心工作的馬瑟說道。
在宇宙背景探測器（COBE）出現很久之前，在他擔任非終身職位期間，韋斯就已經開始醞釀建立激光干涉引力波天文台（LIGO）的想法。1960年代末，麻省理工學院物理系想請他教授關於廣義相對論的研究生課程時，「我不能對他們說，我對於廣義相對論一無所知。」 他說道。因此，他努力比他的學生領先一步，專註於引力的實驗測試。
1970年代末，雷納?韋斯在麻省理工學院20號樓的實驗室里研製干涉儀原型
馬里蘭大學帕克分校的工程師約瑟夫?韋伯（Joseph Weber）試圖用一個軍用提箱大小的鋁棒來探測引力波，韋斯的學生就這個實驗向韋斯請教。廣義相對論指出：較大的天體，例如兩個黑洞，在旋轉碰撞時會產生時空漣漪。韋伯認為，這些時空漣漪，即引力波會拉伸他的圓棒，令它們像音叉一樣產生振動。1969年，他聲稱發現了引力波，但別人無法複製他的實驗。
韋斯也無法掌握韋伯的方法，因此他發明了自己的方法，一個稱為干涉儀的L型裝置，它將一束激光分別發送到干涉儀的垂直兩臂，激光束從反射鏡同步反射回激光束分裂器。如果兩臂長度完全相同，光波同步返回，兩束光是相消的，光子探測器上不會有光信號。但當有引力波從垂直方向進入之後，會拉伸其中一臂，壓縮另一臂，從而導致兩束光的光程差發生變化，原先相干相消的條件被破壞，探測器端的光強就會有變化，由此獲得引力波信號。韋斯意識到：如果信號輸出揭示有引力波經過，將會導致兩臂長度出現差異。他讓他班上的學生以這個想法為作業題，發揮他們的想像力。韋斯為此寫了一份長達23頁的報告，發表在麻省理工學院電子研究實驗室的季刊上，激光干涉引力波天文台的設想就從這篇報告開始萌芽。
韋斯堅稱，當時干涉儀探測器的理念已經「普遍流傳」。但其他人認為，韋斯是第一個提出探測器可以長達數公里，也是第一個描述如何處理各種類型噪音的人，例如，地震和單個光子對鏡子的撞擊聲等，都有可能淹沒難以捉摸的引力波信號。
要將實驗付之於實現需要的各種技術的難度令人難以置信。LIGO干涉儀的雙臂長達4公里，為探測引力波，物理學家還必須將臂長與質子直徑的1/10000進行比較。另外，這個達3億美元的項目直到22年後的1994年才正式獲得批准。
韋斯為非傳統意義上的好學生伸出援助之手的做法為他贏得了良好的聲譽。1983年，離開學校已經5年，並花了兩年時間環遊世界的萊曼?佩奇（Lyman Page）走進了韋斯的實驗室，問是否可以為他工作。他說，「你可以在實驗室工作，但我不會付你工資。」佩奇說道，「於是我白天做木匠活維持生計，晚上在實驗室里工作。」佩奇如今已成為一名宇宙學家，他非常感謝韋斯當年給予他的機會，一個其他人不可能給他的機會。
實驗室外的雷納?韋斯
在實驗室里是一個工作狂的韋斯，走出實驗室也擁有一份完整的人生。1959年，他與不久前畢業的生物學系學生、在哈佛大學植物標本室工作的麗貝卡?揚（Rebecca Young）結婚。如今已退休的兒童圖書館管理員麗貝卡回憶道，當年他們兩個經常出現在同一家餐廳里，「一天晚上，他請我幫他遞一下鹽，然後我們開始了關於光合作用的長談。」她說，「但在我們結婚多年後，我發現他從來沒有在任何食物里再加鹽的習慣。」
麗貝卡說韋斯經常不在家，尤其是在20世紀60年代和70年代，韋斯經常離家去德克薩斯州的帕勒斯坦搞他的氣球實驗。不過她說，韋斯仍然不失為一個稱職的丈夫和父親。即使他不常在家，他還是與家裡「有一條血脈相連的線。」她說。韋斯星期天會帶著孩子去實驗室，他們的女兒莎拉?韋斯（Sarah Weis）說道，她如今是耶魯-新加坡國立大學學院的一位民族音樂學家，「我從來沒有覺得我缺少我需要和渴望的父愛。」她說。
音樂伴隨著韋斯一路走來。「音樂是他人生的一個重要組成部分。」麗貝卡說。韋斯說他從20歲就開始學彈鋼琴，在夫婦倆居住的馬薩諸塞州的一幢兩層樓房裡，每天晚上他都會在客廳的一架小型鋼琴上練習一個小時，他特別喜歡一些古典作曲家，如莫扎特、貝多芬、舒伯特等。「他八點鐘進到那裡，然後關上所有的門。」麗貝卡說，「他還以為我聽不到他的鋼琴聲呢。」
但韋斯說，即使練了63年的鋼琴，他的技術卻不怎麼樣。「我的琴技是很差勁的。」他說，「你可以分辨得出我演奏的是哪首曲子，但對我的琴技你一定不會恭維。」
如今看來，韋斯的寧靜生活註定會被打破，物理學家預計他有分享諾貝爾獎的希望，如果今年不行，那麼會是下一年。自從LIGO團隊於2月份宣布了發現引力波的消息以來，韋斯和LIGO的共同創建者、加州理工學院的基普?索恩（Kip Thorne）和已從加州理工學院退休的羅納德?德雷佛（Ronald Drever），都已經獲得了多個獎項：特別科學突破獎、格魯伯宇宙學獎、邵逸夫天文學獎、科維理天體物理學獎。「說真的，這麼多獎項讓我心裡很不安。」韋斯說道，他打算將所得獎金的90%用於幫助研究生。關於韋斯的許多故事都體現了他的謙遜態度，給人留下了深刻的印象。「他是一個非常謙虛的人，這是他人格魅力的一部分。」他的朋友瓦拉赫說道。但韋斯自己講述的故事，關於他的愛情生活，關於他在大學輟學的經歷，似乎也給人們帶來了一些更深層次的思索。
話題又回到韋斯的愛情生活。起初，一些似乎都很簡單。韋斯墜入了愛河，但他猛烈的愛情攻勢卻把女孩給嚇跑了。第二次戀愛韋斯吸取了教訓，「我將她視為女神，而一個女神是不容觸犯的，但她索求更多的東西。」因此，這次戀愛很快也無疾而終。當問及他那時是不是一個有魅力的年輕人時，韋斯回答說，「我沒有那麼大的魅力，但我也不會為情感所困。」
LIGO發現了韋斯期望的引力波類型：黑洞碰撞在一起產生的時空漣漪
但瓦拉赫所記得的與韋斯說的有些不同。韋斯在20多歲時愛上了他的鋼琴老師，一個30歲的女子。瓦拉赫回憶說，韋斯大多數時間都呆在鋼琴老師的屋子裡，而她也很想嫁給他，但韋斯太年輕，不想那麼早結婚，於是韋斯提出了分手。
這次失敗的戀愛對韋斯大學輟學事件有多大影響呢？「那個年齡的年輕人處於反叛期，像我們這樣家庭出身的孩子，他會怎麼做？那就是退學。」他的妹妹皮爾森說道。
當年的細節，在幾十年後的今天都已漸漸淡去。有些細節會有出入，有的細節會多出一些東西來。但他從不解釋究竟發生了什麼，以及他真正的感受，或者為什麼他會首先告訴我們這個故事。也許這才是關鍵。
LIGO是韋斯的創意，它證明了合理懷疑的黑洞的存在，證實了恆星塌縮成無限小的點而留下的強引力場。在那個點的某個距離之內，即在事件視界之外，引力變得如此之強，任何東西都無法逃離，甚至是光也無法從中逃逸。在講述他的故事時，韋斯似乎是在創建自己的個人視界，在引人入勝的話語和前塵往事的回首後面，隱藏著一個更深層次的自己。儘管他面對記者講述了自己的故事，但韋斯仍然是一個非常自我的人。
在韋斯夫婦的家裡，麗貝卡解釋著韋斯是如何使用電腦顯示器來放大他的樂譜的，以彌補逐漸衰退的視力。客廳的角落裡，是那架年代久遠的小型鋼琴，表面的光澤已被磨損，邊角上已顯露出木質材料，鋼琴上堆滿了樂譜。用支架固定的一個平面屏幕上顯示著放大的樂曲，那是一首貝多芬的奏鳴曲。「我已不彈鋼琴了。」韋斯說道。
文/秦雪/編譯 來源：世界科學
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