捕捉引力波背後的故事：聆聽天籟之音的韋斯
當韋伯探測引力波的衝擊波傳到麻省理工學院（MIT）時，那裡的物理教授們發現他們有點麻煩。
麻省理工學院在第二次世界大戰期間專註於雷達技術，做出了卓越的貢獻。他們因此持續地獲得來自美國軍方的大量科研資助。二戰之後，物理以及與物理有關的系科急劇膨脹，欣欣向榮。這時候，他們突然意識到，系裡卻沒有一個研究廣義相對論的教授。他們只好矮子里拔將軍，指派年輕的助理教授韋斯（Rainer Weiss）開一門廣義相對論的研究生課程。
韋斯1932年出生於德國。父親是一個家境富足、篤信共產主義的猶太醫生，母親是演員。兩人邂逅的一夜情有了韋斯，然後才不得不奉子成婚。韋斯兩歲時他們因為納粹的迫害不得不出逃，輾轉幾年來到美國，於1939年定居紐約市。那裡正聚集著大量和他們一樣剛剛「下船」的歐洲移民，捎來了對古典交響樂的一往情深。還是孩子的韋斯從他們身上既攫取了他的人生擎愛，也看到了商機。那時調頻廣播剛開始時興，小小的收音機無法發揮其魅力。韋斯成為第一代音響發燒友，收集電子元件自己設計、製作電路將調頻信號高保真放大，用高功率大喇叭播放。
有一次，一家電影院著火，廢墟中有20來個大型劇院用揚聲器。韋斯把它們一個個扛回家，接上自己的電路，給朋友們播放紐約愛樂樂團的演出，效果驚人。
他沒能發大財，但有了一個讓更多的人更容易地聽到高品質的美樂的志向。
他注意到播放蟲膠唱片時總會有一點「嘶嘶」的雜音沒法消除。為了解決這個難題和發展他的事業，韋斯上大學時選擇了麻省理工學院。不料，大學裡讓他著迷的不再是電器中的音響，而是一個姑娘手指下流出的美妙鋼琴聲。他神魂顛倒地追隨女孩去了芝加哥，可還是眼睜睜地看著她另攀了高枝。不過他也不是一無所獲，從她那學會了彈鋼琴。在那之後六十多年，每天晚上彈奏一小時鋼琴成了韋斯一輩子的功課。
鎩羽而歸，他發現麻省理工學院已經將他除名。喜歡動手、搗騰的他便走向物理實驗室，一間一間地打聽他們是否需要幫手。扎卡瑞亞斯（Jerrold Zacharias）教授收留了他，讓他打了兩年小工，然後推薦他重新入學。這回韋斯老實了，不僅上完了大學，還接著一口氣在扎卡瑞亞斯的指導下拿了個物理博士學位。
（韋斯後來自己當教授期間也收留過幾個大學期間輟學的「壞小子」。其中兩個，修梅克（David Shoemaker）和佩奇（Lyman Page），現在分別是麻省理工學院和普林斯頓大學的傑出科學家。修梅克後來還成為探測引力波國際協作項目的官方發言人。）
他的博士課題是剛萌芽的銫原子鐘技術。用這種異常精確的鐘來實際測量愛因斯坦預言的引力場中的「鐘慢」效應那時很時髦。他對物理實驗中的精密測量產生了濃厚的興趣，也許這與他當初做高保真電路時的所需要的精益求精一脈相承。
畢業後，韋斯在普林斯頓大學跟狄克（Robert Dicke）教授做了兩年博士後。狄克那時一邊在尋找引力波，一邊正準備做探測宇宙微波背景輻射的實驗，不料卻被貝爾實驗室的那兩位幸運兒搶了先。1964年韋斯回到麻省理工學院任職，有了自己的實驗室。他也計劃同時進行引力波和宇宙背景輻射方面研究。很快，韋伯「發現」了引力波，於是他就順理成章地被抓了差，去開設廣義相對論課程。
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年輕的韋斯不敢坦白他其實從沒接觸過廣義相對論，只好硬著頭皮開了課，自己邊學邊教，現買現賣。他是擅長動手做實驗的，對這理論里複雜的數學最為頭疼，只好盡量地把它當作一堂實驗課來講，試圖用各種模型、假想實驗來直觀地解釋廣義相對論，倒也別具風味。
1970年代的韋斯在麻省理工學院實驗室里的工作照。他正在組裝一個紅外輻射探測器。
學生要求他講講韋伯的實驗。韋斯不得不承認他自己對韋伯棒的機制也摸不著頭腦。他在課堂上與學生一起探討了愛因斯坦的原始論文，然後乾脆布置了一個作業，設計一個與韋伯不同的測量引力波的方法。在這個過程中，他有了自己的想法。
韋伯在費曼的「粘珠」假想實驗中看到的是那根棍子，把它作為「琴弦」尋找引力波引發的共振。韋斯則相反，他著眼於那顆珠子，要直接測量珠子因為引力波的運動。當然，這個運動——如果有的話——幅度會極其微小，又沒有共振那樣的放大機制，如何測量呢？韋伯知道，可以用光干涉的方式來放大細微的距離變化。
1887年，邁克爾遜（Albert Michelson）和莫雷（Edward Morley）設計了一個干涉儀，將一束光用半透鏡分成兩份，分別送往垂直的兩個方向，然後用鏡子反射回來重新匯聚。如果二者略有差異，光的波動性會導致聚合的光產生干涉條紋，這樣可以測量兩個方向上的差別。
在那個試驗中，兩個方向的光束走著完全相同的距離。他們想找的是兩個方向上光速的區別。那時候的物理學家假設光是在一種叫做「以太」的媒體中傳播。因為地球也在以太中運動，經典物理推論順著地球運動方向與垂直方向上光的速度應該有差異。這樣干涉儀中兩個光束返回時的時間也會略有差異。這個微小差異可以從干涉條紋中測出。
邁克爾遜和莫雷沒能找到任何差異。也就是說，光的速度沒有受到地球運動的影響。這個結果否定了以太的存在，確認了麥克斯韋爾方程組中光速的絕對性。邁克爾遜因此贏得1907年諾貝爾物理獎，是第一個獲得科學類諾貝爾獎的美國人。
韋斯認為，既然現在已經知道光速是恆定的，同樣的這個實驗就可以用來尋找不同方向上微小的距離差異。干涉儀兩個方向終點處把光反射回來的鏡子便是費曼的珠子，它們因為引力波的細微波動會導致兩條光路距離的微小差異。這個差異可以同樣地出現在干涉條紋中。
上他的課的幾個研究生對這個課題非常感興趣，他們不滿足於在堂上討論，而是與韋斯在晚上碰頭，加班加點繼續研究。他們搭建了一個臂長1.5米的干涉儀用以研究引力波到來時如何探測的模型。這個裝置比當年邁克爾遜和莫雷用的的那個大不了多少，不同的是他們現在可以用激光作光源，先進得多。晚上幹活也有好處：他們實驗室就在地鐵線邊上。一旦有車經過，他們這個簡陋的設備就被震蕩得一塌糊塗。只能等到末班車開過、夜深人靜後才能試驗。
一晃兩三年就過去了。韋斯和他那些換了好幾茬的小夥伴們依然樂在其中，解決了一系列如何應對環境影響的難題。系裡的其他教授們則都不知道他在搞什麼名堂。一位老教授好心地提醒韋斯，如果還沒有論文發表，他眼看著就不可能得到終身教授職位。韋斯這時候還沒有能夠正式發表的成果，只好把他這幾年的心得、筆記整理一下，寫成一篇材料發表在學校內部的季度報告上。
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韋斯1972年發表的這篇內部報告分兩部分，前一半是用高空氣球測量新發現的宇宙微波背景輻射，後半部是引力波干涉儀的設計和研究。他當時把它叫做「引力天線」（Gravitational Antenna）。這是他的干涉儀設計第一次面世，但因為只是一個學校內部報告，很少人知曉。
韋斯1972年中麻省理工學院內部發表的引力波干涉儀設計草圖。
費曼1957年在教堂山解釋「粘珠論」用的示意圖【見本系列之二】中的「棍子」呈十字交叉，每個方向上各有一個「珠子」。韋斯的干涉儀設計圖則可以看作是費曼那個圖左上角的四分之一部分，在左邊和上方各有一個弧形的鏡子反射激光。這兩個鏡子便是費曼的珠子。鏡子和圖中心的激光半透鏡、測量儀器等之間構成兩條「長臂」，相當於費曼的棍子。當然，韋斯的長臂只是激光的路徑，不是實物。他的棍子其實是懸掛鏡子的支架、天花板和固定在地面的光源、半透鏡、測量儀器以及與它們相連的建築、地球等等的整體。也就是說，當除了鏡子以外的所有一切都固定連接在一起時，獨懸其外的鏡子因為引力波的顫動便是珠子與棍子之間的相對運動。兩個鏡子不同的顫動使得不同方向上的兩條長臂的長度產生細微不同，這個差異便可以由被反射的激光束的干涉條紋放大測量出來。
韋伯的共振棒是一根琴弦，他期待的是引力波脈衝的那一下撥動。韋斯的干涉儀則是一套高保真組合音響，他期望通過這個「天線」接收、記錄、播放引力波的全套旋律。韋斯已經意識到，他這個儀器最敏感的頻率範圍正好與他所沉醉的鋼琴的音域一致。他之所以對探測引力波著迷，正是少年時作為音響發燒友的延續。只是這時他神往的不再是調頻台中的交響樂，不再是姑娘指下的鋼琴曲，而是那來自遙遠時空、浩瀚廣宇的音階。所謂「此曲只應天上有，人間能得幾回聞」。
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然而，韋斯卻不得不面對人世間的煩惱。
進入1960年代末，美國社會格局發生了巨大變化。二戰之後長大的新一代走向社會，不再相信父母一輩的保守理念。美國在越南戰場陷入的泥潭也促使社會對軍隊產生疑惑、警惕。1969年，美國國會在例行的軍隊撥款法案中附加了一個「曼斯菲爾德修正案」（Mansfield Amendment），明文禁止軍隊出錢資助與軍事技術不直接相關的科研項目，以減少軍隊對大學、公司等民間機構的控制和影響。
麻省理工學院首當其衝，一下子失去了大量來自軍隊的資助。韋斯的引力干涉儀項目立刻陷入斷糧的困境。他這個學校里仍然沒有廣義相對論專家，更沒有人能理解他這個小玩意的價值。韋斯只能自謀出路。
1973年，韋斯向國家科學基金會（NSF）提交了一份詳細的資助申請，希望他們能支持他繼續引力波干涉儀的研究，但很快就被拒絕了。基金會那時還在全力資助韋伯的實驗。
這還不是最令他傷心的。一年後韋斯接到德國同行比令（Heinz Billing）的電話，詢問他這邊干涉儀的進展。韋斯很納悶比令怎麼會知道有這麼個干涉儀。比令很不好意思，坦白說他們收到過美國基金會寄來的韋斯申請書，邀請他們做同行評議。那時比令在慕尼黑仿照了一根韋伯棒，折騰幾年一無所獲，正在失落中看到了韋斯的設計很感興趣。他顧不上科學界匿名評審的倫理要求，自己就動手開始了干涉儀的研究。比令還告訴韋斯，不僅在德國，他這個設計其實已經在歐洲流傳開了。
還不只是歐洲。在美國加利福尼亞，韋伯培養的第一個博士伏華德（Robert Forward）也在休斯飛機公司的實驗室里自己建造起一個干涉儀，還就近拉到當時還是研究生的特蕾波爾幫忙。（伏華德後來沒有繼續他的科研生涯，而是急流勇退，成為一個職業科幻小說作家。）
韋斯自己倒也沒山窮水盡，他那個用高空氣球探測宇宙微波背景輻射的實驗取得了不俗的成績，確保了他獲得麻省理工學院終身教職。美國航空航天局（NASA）對這個課題發生了濃厚的興趣，希望能把該實驗擴展到衛星上，進行大氣層以外的測量。1976年，韋斯被航天局聘為宇宙微波背景輻射探測委員會主席，主持這方面的科研。航天局財大氣粗，他不再需要為科研經費發愁，只是不得不暫時擱置引力波，他那聆聽天籟之音的夢想。
韋斯的麻省理工學院團隊正在施放高空氣球，測量宇宙微波背景輻射。
（待續）
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