今天的諾貝爾本該有他的一份……如果他在世的話

出品：科普中國 果殼網

作者：王爽

編輯：婉珺

2017年的諾貝爾物理學獎頒給了美國物理學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip S. Thorne）和巴里·巴里什（Barry C. Barish），以表彰他們領導建設激光干涉儀引力波天文台（簡稱LIGO），進而首次直接探測到引力波的偉大成就。

但遺憾的是，有一位蘇格蘭的物理學家，與韋斯和索恩同為LIGO的三大創始人之一，卻與這個最著名的科學獎失之交臂。他就是剛剛於今年3月7日去世的羅納德·德雷福。如果他還在世，同樣能分享這次的諾貝爾物理學獎。

LIGO三巨頭的初相遇

羅納德·德雷福

圖片來源：quantumfrontiers.com

人生的前40年，德雷福過得相當平淡。他按部就班地在蘇格蘭的格拉斯哥大學念完了本科和博士，然後又留校任教。1969年是一個轉折點。那一年，美國物理學家韋伯宣布他用「韋伯棒」探測到了引力波的存在（重磅！三個探測器同時探到引力波！為什麼「三」如此重要？｜王爽專欄）。這個消息激起了德雷福對引力波探測的強烈興趣，並促使他在上世紀70年代初走上了引力波探測的道路。

與自己的學生詹姆斯?霍夫一起，德雷福建造了探測能力更強的「韋伯棒」。但經過數年的搜索，德雷福完全沒發現任何引力波存在的跡象；由此，他意識到 「韋伯棒」其實沒什麼前途。

與此同時，越來越多人開始關注用「激光干涉儀」來探測引力波的新方法。這種新方法是麻省理工學院教授雷納·韋斯在1967年給研究生上課的時候想到的。

激光在日常生活中很常見，那麼我來講講干涉。只要是兩列物理性質相同的波（如水波、聲波、光波），都可以互相疊加，而且疊加過程遵循以下的規律。如果兩列波是波峰對波峰、波谷對波谷地進行疊加，那就會形成更高的波峰和更矮的波谷。如果是波峰對波谷、波谷對波峰地進行疊加，那就會互相抵消。這種兩列波互相疊加的現象就是干涉。

圖片來源：維基百科

下圖就是韋斯提出的用「激光干涉儀」來測量引力波的原理圖。從一個固定光源（下端的長方體）發出的激光，在經過一個半透鏡（綠色線段）後會分成兩束激光，然後沿兩個互相垂直的方向繼續前進。被反射鏡（左端和上端的兩個青色長條）反射回來以後，它們會重新匯聚並發生干涉，而干涉圖案將顯示在右端的探測器上。正常情況下，匯聚後的兩束激光應該峰谷彼此對應（紫色圓圈）。但是，如果有引力波（黃色區域）經過，半透鏡和反射鏡之間的距離就會發生改變（引力波使空間發生形變的細節見：重磅！三個探測器同時探到引力波！為什麼「三」如此重要？｜王爽專欄），那麼匯聚後的兩束激光就不會再峰谷對應，從而使干涉圖案發生改變（空心圓圈）。換句話說，如果在沒有其他因素干擾的情況下，突然看到激光干涉圖案發生了改變，就說明這個激光干涉儀真的探測到了引力波。

圖片來源：http://www.lindau-nobel.org

激光干涉儀有一個重要指標，那就是半透鏡與反射鏡間的距離，也就是激光干涉儀的臂長。臂長越長，探測到引力波的可能性就越大。

一開始，只有韋斯一個人相信這種方法能探測到引力波；為此，他還自己造了一個臂長1.5米的激光干涉儀。但在1975年的夏天，韋斯在一個學術會議上結識了加州理工學院教授基普·索恩。

那次會議在華盛頓特區召開。當時華盛頓的遊人特別多，導致索恩沒訂上酒店。韋斯很好心，讓索恩和他共住一室。在酒店房間里，他們進行了一番關於引力波實驗的長談。這次長談使索恩打定主意，也要進入引力波探索的領域。

但索恩是一個理論物理學家，對實驗方面的事務一點都不擅長。所以，他必須找一個實驗物理學家合作。恰好那時，德雷福剛在格拉斯哥大學造出了一個臂長10米的激光干涉儀，這讓索恩刮目相看。所以1981年，索恩就把德雷福挖到了加州理工學院教授，具體負責建造干涉儀的工程問題。

被迫離開LIGO，終與諾獎無緣

德雷福是一個技術天才，在激光干涉儀的很多關鍵技術上都做出了突破性的貢獻。在德福雷的領導下，加州理工學院很快就造出了一個臂長40米的干涉儀，從而在與麻省理工學院的競爭中佔了上風。

1984年，美國國家科學基金會（簡稱NSF）要求加州理工學院和麻省理工學院的兩大引力波團隊合二為一。這就是後來LIGO的雛形。而韋斯、索恩和德雷福則作為LIGO的共同創始人，擔任LIGO的最高決策三人組。

但NSF不喜歡LIGO三人共治的管理模式。1986年，NSF撇開了這三大元老，直接指派時任加州理工學院教務長的羅克斯·沃格特（Rochus Vogt）來擔任LIGO的項目負責人。

但德雷福很快就與沃格特出現了非常嚴重的分歧。德雷福主張循序漸進，應該先造臂長200米的干涉儀。而沃格特比較好大喜功，要直接造臂長40千米的龐然大物。由於性格和理念的不同，兩人的矛盾逐漸變得不可調和。

1992年7月，沃格特向LIGO團隊全體成員發了一封電子郵件，宣布德雷福已被開除，以後再也不準踏入LIGO辦公樓半步。

當年9月，德雷福向NSF的學術自由委員會進行了投訴。這個委員會在10月給出了調查報告，承認把德雷福開除出LIGO團隊是不合理的。但是，這份報告壓根沒提為德雷福恢復職位的事。

在引力波探測事業中居功至偉的羅納德·德雷福，就這麼被迫離開自己一手創建的LIGO。

不過沃格特也好景不長。1994年，表現不佳的沃格特被迫辭職。加州理工學院教授巴里·巴里希接替他，成了LIGO項目的新負責人。巴里希比較務實，提出要建臂長4千米的激光干涉儀。這個新方案終於得到了NSF的批准。這才成就了我們今天看到的LIGO。

後來，德雷福患上了老年痴呆症，住進了愛丁堡的一家養老院。2015年9月14日，LIGO首次直接探測到了一個被稱為「GW150914」的引力波信號。這讓德雷福與韋斯和索恩一起，拿遍了除諾獎以外的幾乎所有重要的科學獎項。

但遺憾的是，今年3月7日，德雷福因病去世，因而與諾貝爾獎徹底無緣。

那些與諾獎失之交臂的大物理學家

與諾貝爾獎失之交臂的物理學大師遠遠不止德雷福一人。下面，我再舉幾個同樣讓人扼腕嘆息的例子。

在德國的慕尼黑大學，有一位非常有名的理論物理學教授，名叫阿諾德·索末菲（Arnold Sommerfeld）。作為量子理論和原子物理學的開山始祖之一，索末菲做出了一系列重要的科學貢獻：他推廣了玻爾的氫原子模型，提出了角量子數和自旋量子數的概念，還發現了精細結構常數。除此以外，索末菲也是一個非常了不起的老師：他的學生里，先後有7人拿到了諾貝爾獎。這讓索末菲成了歷史上培養出最多諾貝爾獎得主的老師。

阿諾德·索末菲

圖片來源：維基百科

這樣的大牛，自然就成了諾貝爾物理學獎的熱門人選。事實上，索末菲曾先後81次被提名為諾貝爾獎的有效候選人，但卻一次也沒拿到諾貝爾物理學獎。據說他無法得獎的一個非常重要的原因是，量子力學教父波爾一直在反對他。

還有一個倒霉的量子力學先驅，他就是德國物理學家帕斯庫爾·約當（Pascual Jordan）。約當曾做過兩個後來獲得諾貝爾獎的科研工作。在1925年，他與海森堡和玻恩一起提出了量子力學的第一個版本矩陣力學；海森堡和玻恩分別於1932年和1954年獲得諾貝爾物理學獎。而在1928年，他又與維格納一起率先寫出反對易關係，這成了量子場論和費米β衰變理論的基石；維格納也於1963年獲得諾貝爾物理學獎。

帕斯庫爾·約當

圖片來源：維基百科

儘管約當的合作者全都拿到了諾貝爾獎，但他卻一直與諾獎無緣。事實上，約當也算是咎由自取，因為他在第二次世界大戰期間加入了德國納粹黨。

最後講一個兩敗俱傷的故事。相信很多人都聽說過「宇宙大爆炸」理論。這個關於宇宙起源的理論，最早由比利時天文學家勒梅特提出，然後被俄裔美國物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）發揚光大。

喬治·伽莫夫

這個理論認為，宇宙在創生之初是一團極度緻密也極度熾熱的火球；這團火球向外膨脹並逐漸冷卻，最終演變成我們今天看到的宇宙。

伽莫夫宣稱這個理論能解釋今天所有化學元素都是怎麼起源的。此外，他也預言那個火球會殘留下來一些可以被觀測到的古老光子，也就是著名的宇宙微波背景輻射。1965年，彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射，從而驗證了伽莫夫的熱大爆炸理論。這兩人也因此而獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。但解釋了宇宙如何起源的伽莫夫本人，卻沒有獲得諾貝爾獎。

伽莫夫沒有獲獎的一個重要的原因，就是劍橋大學教授弗雷德·霍伊爾爵士（Sir Fred Hoyle）的強烈反對。事實上，「大爆炸」這個名字，就是霍伊爾為了嘲笑伽莫夫的理論，而專門給它起的。在反對「大爆炸」理論的過程中，霍伊爾也做出了諾獎級的工作。

弗雷德·霍伊爾

圖片來源：維基百科

霍伊爾發現「大爆炸」理論只能產生氫和氦這兩種元素，後面的元素全都產生不了。那元素周期表中的一百多種元素又是從哪裡來的呢？霍伊爾提出這些元素來源於恆星內部的核聚變，以及它們最終死亡時的大爆發。這個想法後來被霍伊爾在劍橋的同事威廉·福勒（William Fowler）發揚光大。由於這個貢獻，福勒於1983年獲得了諾貝爾物理學獎。但悲催的是，霍伊爾卻沒有獲獎。

能獲得諾貝爾獎的科學家，無疑都登上了科學的神壇。但不少沒有得過諾獎的科學家，同樣做出了一點也不遜於諾獎得主的科研工作，他們同樣值得被後世所銘記。

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