引力波探測：先驅者的悲劇

因為引力波非常微弱，當時的物理學家們普遍不看好引力波探測，但韋伯的嘗試在當時幾乎是唯一認真付諸行動的引力波探測。（資料圖/圖）

（本文首發於2017年7月6日《南方周末》）

如果說愛因斯坦是引力波理論的先驅，那麼韋伯就是引力波探測的先驅。正如愛因斯坦會犯錯誤一樣，韋伯在引力波探索史上也有一段曲折的故事。

約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）生於1919年，早年是學工程的。他不僅在探索引力波的歷史上有過曲折，就連人生經歷也充滿了驚險，二戰期間曾一度在航母上服役，先是躲過了日本對珍珠港的突襲，而後又在慘烈的珊瑚海海戰中倖存（他所服役的航母在遭重創後自沉）。戰後的韋伯開始研究物理，並於20世紀60年代開始建造一系列所謂的「韋伯棒」，用來探測引力波，成為最早將引力波探測付諸實施的物理學家。

「韋伯棒」

「韋伯棒」之所以能探測引力波，是因為引力波可以引發它的振動，若頻率合適的話，還可引發共振，通過對共振信號的監測，「韋伯棒」原則上就具備了發現引力波的潛力。當然，實際的情形要複雜得多，「韋伯棒」探測到的也可能只是噪音。為了消除噪音，韋伯與他的合作者們做了長達數年的努力，並且採用了通過兩個遠距離分隔的「韋伯棒」來探測引力波的做法（因為噪音不太可能對兩個遠距離分隔的「韋伯棒」產生同步的影響，引力波則可以，因此通過探測同步信號，韋伯可以將噪音甄別出來）。

雖然物理學家們普遍不看好引力波探測（因為引力波非常微弱），但韋伯的嘗試在當時幾乎是唯一認真付諸行動的引力波探測，因而還是引起了一些興趣，並且也得到了一些起碼是口頭上的支持。比如1963年，美國物理學家戴森就曾表示對韋伯的探測值得給予持續關注。據說在整個20世紀60年代，廣義相對論會議上的一句常用的問候就是：韋伯探測到引力波了嗎？

韋伯探測到引力波了嗎？從1967年到1970年，韋伯在著名期刊《物理評論快報》上接連發表五篇論文，宣布了探測結果。

韋伯的第一篇論文發表於1967年3月27日，標題為「引力輻射」。這篇論文發布了10組疑似引力波造成的信號，每組都標明了信號出現的時間，跨度從1965年9月21日到1967年2月17日。10組信號中，較早的7組是由單個「韋伯棒」探測到，較晚的3組則是由相距三公里左右的兩個「韋伯棒」共同探測到的同步信號。很明顯，在這10組信號中，由單個「韋伯棒」探測到的7組其實沒什麼價值，因為沒法甄別噪音；值得關注的只有由兩個「韋伯棒」共同探測到的那3組同步信號。

在發表這篇論文時，韋伯的態度還相當謹慎，他表示，那幾組信號若真是引力波造成的，則強度似乎太大，大到了應當伴隨有其他天體物理效應——比如超新星爆發——的程度。由於並未有人觀測到與他的信號相伴隨的其他天體物理效應，那些信號「源自引力輻射顯得很不可能」。假如源自引力輻射「顯得很不可能」，那信號會來自何方呢？韋伯猜測是地震。1967年11月，在給同事的一封信中，韋伯坦率地表示，「韋伯棒」的抗干擾能力雖然不錯，卻遠非完善，他並且將信號源自引力波的概率估計為1/50。這個估計雖無實質的定量依據，卻顯示出謹慎的態度。

「很好的證據」

不過，這種謹慎的態度在後續論文中越來越少，直至消失。

韋伯的第二篇論文發表於一年多之後的1968年6月3日，標題為「引力波探測器事件」。這篇論文發布了為期兩個月的時間跨度內探測到的4組新信號，全都是由兩個相距兩公里的「韋伯棒」探測到的同步信號。在這篇論文中，韋伯對同步信號純屬碰巧的概率作了估計。這種估計從道理上講是很有必要的，因為哪怕在兩組完全隨機的信號中，也會純屬碰巧地出現一些同步信號——尤其是在「同步」本身界定得比較粗糙的情形下。韋伯以同步信號每隔多少時間才會純屬碰巧地出現一次作為衡量其概率的指標。針對那4組信號，他給出的結果分別為150天、300天、40年和8,000年。

假如韋伯的估計無誤，那麼很明顯，每隔40年和8,000年才能純屬碰巧地出現一次的信號——尤其後者——是相當稀罕的，稀罕到了不太可能「純屬碰巧」的程度。因此雖然探測精度並無實質改進，韋伯的信心卻因為這種估計而顯著增加了，在論文的結論部分表示：「極低的隨機巧合概率使我們能排除純粹的統計起源」，「起碼稀罕的信號有可能是引力輻射所激發的」。這個口氣雖依然帶有謹慎色彩（因為談的只是「有可能」），比起將信號源自引力波的概率估計為1/50來，明顯是加強了。

又隔了一年多，1969年6月16日，韋伯發表了第三篇論文，標題為「引力輻射的發現證據」。這篇論文單從標題上看，口氣就比前兩篇加強了許多，因為前兩篇的標題——「引力輻射」和「引力波探測器事件」——都未對結果定性，而「引力輻射的發現證據」這一新標題卻首次將探測結果定性為了「引力輻射的發現」。

從技術層面講，雖然「韋伯棒」還是原先的水準，但兩個「韋伯棒」之間的距離由兩三公里擴大到了1,000公里，從而起碼從道理上講，對較大範圍的干擾也具有了甄別能力。與第二篇論文相類似，韋伯對這篇論文所涉及的同步信號純屬碰巧的概率也作了估計，結果從數百天到7,000萬年不等，這其中7,000萬年才能碰巧一次的信號簡直就只能來自引力波了。因此韋伯用不再含糊的口氣作出了結論：「這是很好的證據，證明引力波已被發現了。」

新方法

1970年，韋伯再接再厲，又發表了第四和第五篇論文。

其中在第四篇論文中，韋伯改變了發布結果的方法，不再提供信號出現的時間。讀者們也許還記得，在第一篇論文中，韋伯曾因為「並未有人觀測到與他的信號相伴隨的其他天體物理效應」，而得出了那些信號「源自引力輻射顯得很不可能」的結論。如今，隨著信心的屢次增加，他不僅不再談論「源自引力輻射顯得很不可能」那樣的喪氣話，甚至不再提供信號出現的時間了，這在一定程度上意味著他已不再關注「與他的信號相伴隨的其他天體物理效應」，或者說不再寄望於用「其他天體物理效應」來印證自己的信號了。

那麼，韋伯發布結果的新方法是什麼呢？是改為了只提供給定時段內純屬碰巧的信號數目與實際信號數目的比較。在這兩個數目中，前者可通過概率手段估計出，後者則是實際探測到的同步信號數目。這兩個數目倘若相近，則說明探測到的同步信號大都是純屬碰巧。不過韋伯發布的數據顯示，後者比前者大一個數量級左右，因而並非純屬碰巧。

韋伯發布結果的這種新方法是很籠統的，但也並非毫無目的的籠統，因為這種新方法便於表述一類新的探測結果。在那類探測中，韋伯將其中一個「韋伯棒」的記錄時間延後了兩秒。這類新觀測的意義在於：對於純屬碰巧的信號來說，因為本就是隨機的，延後與否都純屬碰巧，從而信號數目不會有顯著變化；但引力波造成的信號乃是必然同步的，延後兩秒就會不復存在，從而信號數目會顯著減少。因此，延後兩秒是否會導致實際探測到的同步信號數目顯著減少可視為判斷信號來源的輔助手段，若顯著減少，則說明信號是引力波造成的。

那麼探測的結果如何呢？韋伯在論文中宣布，通過對為期20天的延後兩秒的數據進行分析，他發現信號數目顯著減少了，於是可以得出結論：這類觀測「支持了早先得出的引力輻射已被觀測到的宣稱」。

以上四篇論文無論在口氣還是實驗手法上都顯示出一種層層遞進的雄辯性，這種雄辯性吸引了很多人的關注。就連研究領域相當理論化的霍金也一度被韋伯所吸引，不僅於1970年撰文討論了引力波的探測，並且將韋伯探測到引力波視為了已確立的事實。在引力波探測的後續征程中將起到重要作用的美國物理學家索恩則在1972年發表的綜述中表示：「我們認為韋伯的引力波實驗證據相當有說服力」。而一些原先認為引力波太過微弱，引力波探測太過渺茫的實驗組則轉變了看法，開始認真跟進。那些實驗組的跟進可視為韋伯的影響力快速擴展的標誌。

低級錯誤

然而不無戲劇性乃至悲劇性的是，韋伯影響力的擴展雖快速，墜落的速度卻也毫不遜色，因為他的第五篇論文——也是1970年發表的第二篇論文——就成為了自己「滑鐵盧」的一部分。

這「滑鐵盧」其實早在1969年就開始了。1969年7月，在以色列舉辦的一次學術會議上，韋伯作了個報告，在報告中他出示了一批數據，顯示被他認定為來自引力波的信號呈現出24小時的周期性。韋伯表示，這種周期性意味著引力波來自天空中的一個固定方向。相對於「韋伯棒」來說，每當地球的自轉使那個固定方向接近天頂時，信號就會變強，由於地球每24小時自轉一圈，因此信號呈現出24小時的周期性。至於那個固定方向究竟指向何方，韋伯的猜測是指向銀河系的中心——這是銀河系範圍之內引力場最強，從而最有可能頻繁產生引力波的區域。韋伯的這一報告首次涉及了引力波的來襲方向，可算是將引力波探測推向了一個新的層面。

可惜這項研究犯了一個巨大的錯誤。

幾乎立刻就有物理學家指出，對引力波來說地球是完全透明的，因此假如引力波來自一個固定方向，則這個方向在天頂附近跟在地球背面的天頂附近，對「韋伯棒」的影響應該是完全相同的。這意味著來自引力波的信號應呈現出12小時而非24小時的周期性。

這一錯誤讓韋伯陷入了巨大的尷尬。

之所以尷尬，不僅因為這一錯誤對引力波的研究者來說這是非常低級的錯誤，更是因為韋伯居然能拿出數據來支持這樣的低級錯誤，這幾乎無可避免地使人們懷疑韋伯是通過選擇性地擺弄數據而炮製出自己預期的結果的。一些物理學家後來表示，他們對韋伯的懷疑正是始於這一錯誤。

這一錯誤被指出之後，韋伯在上面提到的發表於1970年的第五篇論文，以及發表於1971年的上述會議發言的書面文稿中都作了訂正。訂正的方式是宣稱自己粗心了，數據所支持的其實是12小時的周期。也許真的只是粗心，但懷疑既已萌生，就不是這種宣稱所能撲滅的了。這種宣稱反倒更顯得韋伯的數據是任人打扮的小姑娘，一些物理學家從此懷疑韋伯有能力炮製出自己所需的任何結果。

「零結果」

對韋伯的另一類懷疑來自他宣稱探測到的引力波的強度。據韋伯自己估計，假如他所探測到的引力波來自銀河系的中心，則要想產生他所探測到的信號，銀河系的中心每年因引力波造成的質量損失將高達1,000個太陽質量。

但英國物理學家里斯在1972年的一項研究中提出，銀河系中心只要每年損失超過70個太陽質量，因引力束縛的減少而導致的銀河系的膨脹將會被觀測到。由於我們並未觀測到銀河系的膨脹，這表明來自銀河系中心的引力波沒有韋伯估計的那麼強，從而也就不可能如此頻繁地被韋伯探測到。

不僅如此，倘若銀河系中心每年因引力波造成的質量損失果真高達1,000個太陽質量，則別說是銀河系的中心，就連整個銀河系都撐不了幾億年就會耗盡質量，這跟銀河系已有近百億年高齡的事實是完全衝突的。

而對韋伯最系統的打擊，則是來自那些一度可視為韋伯影響力快速擴展的標誌的實驗組。因為有韋伯的開路在先，那些「站在韋伯肩上」的實驗組以極快的速度建起了多個「韋伯棒」，而且在精度上不僅毫不遜色，甚至猶有過之。僅僅一兩年之間，那些實驗組就陸續出了初步結果，然而卻全都是「零結果」，沒有一個能驗證韋伯的「發現」。

1972年，在美國得克薩斯州舉辦的一次相對論天體物理會議上，多個實驗組報告了自己的「零結果」。雖然由於探測時間較短，那些「零結果」尚不能一錘定音，但足以加深物理學家們對韋伯的懷疑，並且足以顯示出像韋伯那樣頻繁地觀測到引力波信號是極不可能的。

在接下來的幾年裡，那些實驗組繼續沿著韋伯開闢的道路前進，積累著數據，卻始終未能發現任何能讓韋伯高興的結果——也就是未能發現任何經得起複核的信號。在那些實驗組所用的「韋伯棒」中，有的連共振頻率都跟韋伯的相同，從而使韋伯甚至無法以引力波只在他所探測的頻率上才存在這種小概率假設為借口來辯解。

一落千丈

在接下來的幾年裡，隨著「零結果」的持續積累，韋伯遭到了越來越猛烈而系統的批評。那些批評所針對的已不僅僅是無法重複韋伯的觀測，而且還切實指向了韋伯所犯的具體錯誤，比如韋伯用來確定同步信號的計算機程序被發現存在錯誤，比如韋伯對數據的處理被發現存在不自洽的地方，有些批評者甚至毫不客氣地將矛頭指向了韋伯的誠信，指責他對數據的處理不誠實。焦頭爛額的韋伯對其中最嚴重的「不誠實」指控作出了否認，然而糟糕的是，否認過程中牽扯出的信息反倒證實了他確實對數據採用過不自洽的處理，目的是找出儘可能多的同步信號。

而最慘不忍睹的則是，韋伯曾報告過一批他的數據跟另一個實驗組的數據之間的同步信號，這原本可作為強有力的證據，顯示韋伯的數據具有能與其他實驗組相互比對的客觀性，結果卻被發現雙方所用的時鐘根本不在同一時區——韋伯用的是美國東部時間，另一個實驗組卻是用的格林威治時間。彼此相差好幾個小時的數據被韋伯當成同一時區的數據進行比較，居然還搞出了一大批同步信號！這個形同醜聞的錯誤對韋伯的信譽造成了毀滅性打擊，同時也說明了他處理數據的方法哪怕是誠實的，也不過是誠實的錯誤，具備無中生有的能力。

韋伯曇花一現的聲望就此墜下深淵。

若干篇論文，若干次會議，若干個報告，細節越來越多，口氣越來越肯定，卻如沙灘壘塔般在越壘越高之後，最終垮塌下來。在一個半開玩笑的意味上，我們或許可將《六祖壇經》中那則風動，幡動，還是心動的小故事套到韋伯探測引力波的故事上來——當然寓意不盡相同：「風動」是引力波的作用，「幡動」是「韋伯棒」的振動，「心動」則是韋伯對探測引力波的巨大心理期望。風動，幡動，還是心動？對韋伯的探測來說，可基本確定為「心動」。從「韋伯棒」所記錄的信號圖線看，也確實像是純粹的噪音，只有「心動」的人才能從中看到「風動」導致的「幡動」。

痴心不改

雖然遭到學術界的否定，但韋伯本人卻痴心不改，終其一生都堅信自己探測到了引力波。在韋伯的辦公室里，到處堆著書架和文件櫃，只有一條窄窄的過道通往辦公桌，辦公桌上方的牆上則貼著一幅愛因斯坦的相片。直到退休之後，韋伯依然不時地前往實驗室查看結果。對於其他實驗組無法重複他的觀測，韋伯先是將之歸因於那些實驗組的技術有問題，後來又以「陰謀論」的手法將之歸咎為美國激光干涉引力波天文台想要壟斷引力波探測，從而不允許「韋伯棒」出結果。這種近乎偏執的態度是不太光彩的，也是韋伯故事裡最具悲劇性的色彩。一些同事認為，假如韋伯不是如此頑固地堅信自己，他在這一領域所能得到的敬意將遠遠超過他實際得到的，他的頑固和偏執使他不必要地被邊緣化了。

在結束本文的時候，有幾點是應該替韋伯美言一下的：第一，他雖終其一生都堅信自己探測到了引力波，甚至堅信到偏執的程度，但他公開允許同行們到他的實驗室來檢查數據和設備，在這點上他是謹守學術規範的。第二，他的頑固並未使他失去幽默感。韋伯的第一任妻子1971年去世之後，他與美國天文學家特林布爾結婚。數十年後，在與人談起此事時他微笑著表示：剛結婚時他比妻子有名，現在兩人對換了。第三，韋伯雖然失敗了，甚至在某些方面失敗得不太光彩——起碼不太瀟洒，但他作為引力波探測的先驅人物將被科學史所銘記。事實上，他的「韋伯棒」如今已被包括美國激光干涉引力波天文台在內的若干機構所收藏。

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