走近引力波探測器之父——從小混混到科學家

他是一個非常謙虛的人。這就是他自身魅力的一部分。

Rainer Weiss圖片來源：Ken Richardson

50年前，Rainer Weiss便設想出一種探測引力波的方法。引力波是由愛因斯坦的引力理論——廣義相對論預言的時空中無限小的漣漪。去年9月，這一夢想終於成真。當時，1000名利用激光干涉引力波天文台（LIGO）開展研究的物理學家在兩個巨大黑洞位於距地球10億光年的地方相互圍繞著旋轉時，探測到其輻射出的脈衝波。LIGO是兩台分別位於美國路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福的巨大探測器。同行們認為，這項發現使麻省理工學院（MIT）物理學家Weiss成為穩操勝券的諾貝爾獎獲得者。現年83歲的Weiss帶著些許不安承認了這一預期。

不管以什麼標準衡量，Weiss的人生都極其不平凡。1932年，Weiss出生於德國，並在隨後和家人從納粹的魔掌中逃出。他在紐約曼哈頓上西區長大，是一個擁有工匠天賦和街頭智慧的孩子，會自己製作並且售賣高保真系統。念本科時，Weiss從MIT退學。此後，他在那裡獲得終身職位。Weiss為自己贏得了著名物理學家的聲譽，並且致力於LIGO研究40餘年。這是曾經嘗試過的最大膽的試驗之一。即便到現在，他仍在利用LIGO開展研究。

酷愛古典音樂和電子產品

作為一名少年，Weiss酷愛古典音樂和電子產品。他會購買軍隊剩餘的配件，然後在卧室外面修理收音機。Weiss甚至同當地惡棍達成協議：如果他們在他往返於地鐵站搬運收音機時能置之不管，他便會幫其修理收音機。

Weiss的妹妹、劇作家Sybille Pearson證實說，Weiss的確會儘可能多地不呆在這個不幸的家庭中。不過，作為唯一的兒子，在某種程度上他仍是家裡的王子。比如，無論何時全家搬到新的公寓，Weiss總是能為自己爭取到最大的房間。

Pearson回憶說，在學校里Weiss也不是落後者。「他很聰明，並且對所有事情都感興趣。」Weiss在哥倫比亞語法和預科學校的同學、如今已從杜克大學退休的心理學家Michael Wallach對此表示贊同。「Rainer的科學能力在學校受到廣泛認可。」Wallach說，儘管他確實像個街頭小混混，並且曾在某次爭鬥中打折過自己的腿。

Weiss的兒子Benjamin Weiss是一名歷史學家，同時擔任波士頓美術館館長。他說，如果Weiss真的逃課了，肯定不會在街角閑逛。「他會到市政廳聽鋼琴獨奏會。」與此同時，Benjamin推測說，Weiss之所以被修理工作吸引，部分原因在於整個家庭瀰漫著憑理智行事的氛圍。「這是一個來自德國的難民兒童，父母則有著極高的修養。他會通過做一些手工勞動反抗他們。」Benjamin表示，「不過，他肯定不會拒絕用頭腦行事。」

領導大型科學項目

在普林斯頓大學，Weiss在物理學家Robert Dicke的指導下做博士後，致力於引力的實驗驗證。隨後，他於1964年回到MIT。Weiss說，作為一名資歷尚淺的教職員工，他很少發表文章，也沒有操心自己的事業。來自MIT的LIGO物理學家David Shoemaker表示，Weiss能獲得終身職位，可能全憑他的教學工作——如果放到現在則肯定沒戲。已從MIT退休的物理學家Bernard Burke同意這一說法。他介紹說，早期的Weiss是「一個快樂的喜歡擺弄小機械的人」，因此「不可能獲得終身職位」。不過，Burke表示，Weiss很快扭轉了局面。

他將注意力從引力轉向對所謂的宇宙微波背景（CMB）輻射的測量上。CMB輻射是一種無所不在但很模糊的無線電波，於1965年被發現，並且被初步認定為宇宙大爆炸產生的餘輝。它通過宇宙無休止的膨脹，擴展成更長、更冷的波長。

不過，在上世紀60年代末，這種關聯仍然缺少充分的證據。來自宇宙大爆炸的輻射應當擁有一個表明輻射溫度且峰值不對稱的「熱譜」。在長波段，一些團隊觀測到與絕對零度以上3℃的溫度相符合的上升熱譜。不過，在1968年，火箭測量結果發現了大量的較短波長輻射。其同熱譜存在衝突，並且威脅到宇宙大爆炸假說。

為探究該問題，Weiss和他早期帶的研究生、如今已經退休的物理學家Dirk Muehlner建造了一台可搭載氣象氣球飛行並測量較短波長微波頻譜的設備。1974年，在三次飛行和1次改造後，他們掌握了與熱譜相符的確切數據，並且首次揭示了「泄露機密」的峰值。「這完全摧毀了火箭結果。」Burke表示，「在那些對微波背景感興趣的人里，Weiss突然成了他們的明星。」

CMB研究不僅為Weiss守住了終身職位，還推動他在更廣泛的科學界中擔任領導角色。1976年，美國宇航局（NASA）開始研製宇宙背景探測器（COBE）衛星，項目科學工作組則選擇Weiss擔任負責人。於1989年發射的COBE高度精確地測量了微波波譜，並且毋庸置疑地證明了CMB擁有熱譜。它還探測到CMB溫度中10萬分之一的微小波動——在新生宇宙中出現且對宇宙學標準模型至關重要的極小的量子漲落痕迹。2006年，美國人John Mather和George Smoot分別因測量微波波譜和探測到這種波動而共享諾貝爾物理學獎。

一些物理學家認為，Weiss應當分享這一榮譽。「這是一次接近成功的失敗。」來自雪城大學的LIGO物理學家、上世紀80年代和Weiss在MIT共事的Peter Saulson表示。無論如何，Weiss對COBE的貢獻證明，他能勝任曾認為自己非常不適合的角色：大型科學項目的領導者。「他是一個很好的合作者。」在NASA戈達德太空飛行中心工作的Mather表示，「他還擅長決定誰應當做什麼，並且確保那個人獲得應有的榮譽。」

謙遜令人印象深刻

在參與COBE項目很久之前，當Weiss還過著任性不羈且無任何保障的日子時，他便產生了後來演變成LIGO的想法。上世紀60年代末，MIT物理學系讓Weiss教授一門關於廣義相對論的研究生課程。「我不能告訴他們，自己不懂任何廣義相對論的知識。」他說。為此，努力讓自己比學生搶先一步的Weiss開始關注引力的實驗驗證。

學生請Weiss討論馬里蘭大學帕克分校工程師Joseph Weber試圖利用圓柱形鋁棒探測引力波的試驗。廣義相對論認為，諸如兩個黑洞等相互圍繞旋轉的質量極大的物體應當在時空中輻射出漣漪。Weber提出，這些漣漪——引力波——會拉伸他的圓柱體，並且使其像音叉一樣振動。1969年，Weber宣稱發現了引力波，但其他人無法重現。

Weiss並未掌握Weber的方法，因此他基於被稱為干涉儀的L形設備發明了自己的方法。該設備可將一個激光束分離，然後將獲得的兩束激光送往相互垂直的「分支」。這些激光束被鏡子反射，並且重新回到分束器。如果「分支」的長度完全相同，那麼光波會同步返回並重新結合，從而使光朝著激光器「迴流」。然而，如果「分支」的長度相差哪怕是光線波長的一小部分，失準的重疊會使一些光從垂直的「黑點」中泄漏出去。Weiss意識到，這一輸出值能揭示由此通過且通常使「分支」產生不同程度拉伸的引力波。他讓學生在家庭作業中仔細考慮這一想法，並且在季刊——《MIT電子研究實驗室》上發表了一份23頁的報道。LIGO便萌芽於這篇文章。

Weiss堅持認為，當時干涉儀探測器的概念已經「廣為流傳」。不過，其他人表示，Weiss最先清楚地說明了探測器應當有幾公里長，並且描述了如何處理各種會淹沒難以捉摸的引力波的噪音。

如今，隨著物理學家希望他共享諾貝爾獎，Weiss恬淡的生活似乎註定要被打破。自從LIGO團隊在2月份宣布他們的發現後，Weiss和LIGO的共同創始人——來自加州理工學院的Kip Thorne以及從該校退休的Ronald Drever已經獲得了若干榮譽：特別突破獎、格魯伯宇宙學獎、邵逸夫天文學獎和卡弗里天體物理學獎。「說實話，這些獎勵讓我心驚肉跳。」Weiss說，他計劃將90%的獎金用於幫助研究生。在很多從來都不是主角的故事中，Weiss的謙遜令人印象深刻。「他是一個非常謙虛的人。」身為朋友的Wallach表示，「這就是他自身魅力的一部分。」（宗華）

TAG:科學網 |

※探索星際奧秘，玩轉高科技，體驗物理實驗……「小小科學家」們帶你走近科學！
※帶你走近夜晚工作的科學家
※走近科學之顏控四美！
※走近佛門女僧的出塵之美！
※帶你走近電影里的香港
※走近靳光祥，一個致力於葯食同源創新的老頑童！
※走近科學 日本的彼岸花源自中國 無法通過種子繁殖
※「蠍子跟蜘蛛混種」的詭異生物，走近看到它的腳時我徹底嚇到了
※科學家在深山裡發現一巨型貓雕塑，走近一看當場嚇跑
※探險家林中探險發現巨大生物，走近觀察畫面不忍直視
※從科學檢測走近神秘的音樂治療
※方腦殼帶你走近佛教人物
※小伙野外在樹洞聽到聲響，走近發現一萌物從中探出頭
※男子野外見到鮮艷藍絲帶，走近仔細一看連忙轉身逃跑
※男子野外在樹洞聽到聲響，走近發現一萌物從中探出頭
※以唯美之舞，帶你走近神秘古老的哈尼族文化
※遠觀以為小牛戲水，走近一看原來是自家的阿拉斯加
※新競MC小明帶你走近小哥哥們背後的故事
※帶你走近傳統徽菜的魅力