一次短暫的引力波探測

發表於1969年和1970年、有關發現名為引力波的時空漣漪的報告，被證明是錯誤的。但這鼓舞了持續至今的努力。

圖片：Joseph Weber調整了他的一個鋁製圓柱上的儀器。他宣稱以此檢測到了名為引力波的時空漣漪。

2005年是1905年愛因斯坦「奇蹟年」的百周年紀念，為此人們設立了世界物理年。以此為契機，我們將介紹與愛因斯坦成就相關的物理評論舊檔中的論文。

1918年，愛因斯坦用他新的廣義相對論來證明，時空中的漣漪可能存在並且會以光速移動(譯者註：這其實在1916年就已經被證明了。)。1969年和1970年，《物理評論快報》的兩篇論文報告了這種引力波的第一次探測，它們看似來自我們銀河系的中心。這一發現後來不再被相信，而其背後的研究人員也備受爭議。但他的想像力和決心，鼓舞了其他物理學家尋找引力波，這一追求今天仍在繼續，如激光干涉引力波天文台(LIGO)項目(譯者註：LIGO已經於2015年成功地直接探測到引力波，並於2016年發布，這兩個年份恰好分別是廣義相對論跟引力波理論發表的百周年。)。

引力波實質是行進的時空幾何畸變，會使它遇到的任何物體實體的形狀產生晃動。為了檢測這種擾動，馬里蘭大學學院市分校的Joseph Weber製造了一些長約2米、直徑約1米的實心鋁製圓柱體，並懸掛在鋼絲上。通過的引力波將使其中一個圓柱體以其約1660赫茲的共振頻率振動。牢牢固定在圓柱體腰部周圍的壓電晶體會把振動轉換成電信號。

Weber竭盡全力將圓柱體與機械振動以及局部的地震跟電磁擾動隔離開來。他聲稱，背景雜訊的唯一主要來源，是鋁原子的隨機熱運動。這種熱運動導致圓柱體的長度以大約10^-16米的幅度發生不規律變化，這小於質子的直徑，但預期的的引力波信號也不比它大很多。作為通過的引力波的證據，Weber在數據中尋找超出某個「閾值」的振動。閾值用於表徵背景雜訊，但Weber並沒有對它作出前後一致或準確的定義。

Weber的檢測證據基於，在相同的半秒時間內，於多個圓柱中觀察到超出背景雜訊的信號。在看到兩個馬里蘭州圓柱之間的一些符合事件之後，Weber將他的一個圓柱移到位於約一千公里外、在芝加哥附近的的阿貢國家實驗室。1969年，他在《物理評論快報》報道了81天內在這兩個地點發生的二十多次符合探測。他計算出，一些信號是如此之強，以至於偶然符合只會在數百年或數千年內發生一次。他認為，這是引力波的「良好證據」。第二年，他聲稱在7個月內檢測到311個符合信號，並且定向集中，都指向銀河系的中心。

第二次公報尤其引起轟動。現於加州大學戴維斯分校工作的Tony Tyson，在當時和同事一起製作了一個「Weber棒」，世界上其他一些團隊也是如此。但除了Weber之外，沒人能看到任何隨機噪音以外的東西。Weber是一名電氣工程師，後來轉為物理學家。他對數據分析知之甚少，Tyson說，「結果是，他因此而倒台。」人們逐漸發現，Weber評估信號符合的標準並不明確，且有主觀成分。到了20世紀70年代末，除Weber之外的所有人都同意，他宣稱的檢測是虛假的。

更重要的是，如果Weber信號的強度和頻率是真的，則意味著天上充滿了不遠處發生的天體物理事件，其強度達到超新星噴射引力波的水準。但Tyson說，Weber主張的失效，只是讓其他研究人員更加努力嘗試。今天，路易斯安那州和華盛頓州的兩個LIGO天文台，在數公里的範圍內，使用光學技術，來尋找時空畸變的表徵(譯者註：這是2005年，現在這種表徵已經找到)。Tyson說，Weber值得稱讚，因為他把其他人帶進了這個物理學領域。「是困難吸引了我們。」

更多信息

Marcia Bartusiak，Einstein』s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time (Joseph Henry Press, 2000)。中譯本：愛因斯坦尚未完成的交響樂，李紅傑 譯，湖南科學技術出版社，2007年。

J.L. Levine, Early Gravity-Wave Detection Experiments, 1960-1975, Physics in Perspective, 6: 42 (2004). (英文，收費論文)

LIGO主頁(英文)

Einstein@home(英文)讓人可以用他們計算機的空閑時間來幫助尋找引力波。

Physics Today文章(英文)關於愛因斯坦1936年一份被《物理評論》拒絕的有關引力波的稿件。

劉寄星，愛因斯坦和同行審稿制度的一次衝突，物理，2005，34(07)。與上文相似的一篇中文論文。

原文作者：David Lindley
原文作者簡介：David Lindley是美國弗吉尼亞州亞歷山大市的自由撰稿人，也是Uncertainty: Einstein, Heisenberg, Bohr, and the Struggle for the Soul of Science (Doubleday, 2007) (中譯本：科學之魂：愛因斯坦海森堡玻爾關於不確定性的辯論，李永學 譯，浙江人民出版社，2018年)的作者。

本文譯自 physics，由譯者 cmp0xff 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
注意，這是2005年的舊文章

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