從炸沉的航母死裡逃生後，他成了引力波探測先驅

約瑟夫·韋伯與他的引力波探測器（圖片來源：馬里蘭大學圖書館）

撰文 | 張華

1942年5月，珍珠港事件後，日本海軍與美國海軍在澳大利亞附近的珊瑚海進行了一場激烈的海戰。5月8日，戰爭已經白熱化，美、日兩國的航空母艦編隊相互轟擊，彼此都有很大傷亡。在這場戰役中，美國的萊剋星敦航母被日本海軍的魚雷和炸彈擊沉，萊剋星敦號航母上200多名士兵死亡。而一位名為約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）的士兵跳海逃生，最後獲救。

27年後，《物理學評論》（Physical Review Letters）上的一篇論文引起了轟動。文章的標題是《引力波已經被探測到的證據》，作者只有一個人，正是約瑟夫·韋伯。韋伯在論文摘要中開門見山地提到：「在相距1000千米的美國阿貢國家實驗室與馬里蘭大學，儀器同時探測到了引力波信號。」

韋伯宣稱探測到引力波的論文

引力波頻率

1916年，愛因斯坦提出廣義相對論後預言了引力波的存在。在廣義相對論中，一維時間與三維空間構成一個整體，三維空間本身是有彈性的，它會隨著時間振動——這就好像鋼板的振動會發出聲音一樣——空間的振動會激發出引力波。

但是，因為空間本身比鋼板更具有剛性，所以很難發出可觀的引力波。需要巨大的質量抖動，才可以發出能夠被我們探測到的引力波。因此，這樣的引力波一般是由黑洞或者中子星等大質量緻密物體碰撞併合而產生的，小質量物體產生的引力波在地球上根本就測不出來。

在緻密星體相互繞轉的過程中，兩個星體近似以質心為圓心做圓周運動，因此具有圓周運動的特徵頻率。而這個特徵頻率的兩倍，大致就是引力波的頻率。對於恆星級的黑洞，其輻射的引力波頻率大約在1赫茲到10000赫茲之間。

下面這個公式，可以粗略估算出兩個天體併合產生的引力波的頻率。我們用M代表兩個天體的質量之和，C是光速，G是牛頓引力常數。那麼兩個星體非常接近時，其引力波頻率的數量級可以用如下公式來估算：

如果需要嚴格計算引力波的頻率，則需要用到一個叫作「啁啾質量」的物理量。假設天體的質量分別是m1與m2，那麼，可以定義出啁啾質量：

有了啁啾質量，再根據兩個星體的總能量E，就可以算出引力波的頻率f如下：

「韋伯棒」

韋伯進行引力波探測的主要思想，就是引力波頻率。

1948年，從美國海軍退役的韋伯被馬里蘭大學聘為電子工程系教授——因為韋伯本身是學電子的。韋伯繼續深造，在1951年獲得了微波射電方向的物理學博士學位，隨後他也從電子工程系被調為物理系教授。在這一時期，韋伯對廣義相對論產生了興趣，還得到了著名的相對論專家約翰·惠勒的指導。

兼具廣義相對論知識與電子工程背景的韋伯，產生了一個偉大的願景：他想成為引力波探測第一人。韋伯他知道引力波是有頻率的。於是，他想到了一個事情，那就是「共振」。

什麼是「共振」呢？舉一個簡單的例子，軍隊過大橋的時候，一般不能齊步走，因為齊步走的頻率如果有大橋的固有頻率一樣，大橋可能會因為共振而倒塌。

而韋伯則需要利用這種「共振」。

韋伯得到了美國國家科學基金的資助，在馬里蘭大學製作了好幾個大的圓柱體鋁棒，每個鋁棒都有一個固有頻率。因此，如果引力波的頻率與鋁棒的固有頻率相同，那麼鋁棒就會「共振」——這個共振信號會不斷放大，最後就可以被探測到了。

韋伯製作的這些的鋁棒尺度都不小，其中一個長度 1.53 米，直徑 0.66 米，質量約為 1.4 噸。根據鋁棒的形狀與彈性係數可以算出，這根鋁棒的固有頻率大約是1660赫茲。

共振頻率f之所以選為1660 赫茲，主要是為了計算方便——因為這個頻率對應的圓頻率ω正好是一個整數10000。（ω = 2πf）

可以說，韋伯的這個共振頻率選擇得基本靠譜，但卻存在很大的硬傷。

我們知道，一般的緻密雙星系統發出的引力波，其引力波的頻率不是一個常數，而是一個很寬的頻率域。韋伯這種固定在1660赫茲的引力波探測器，就好像「刻舟求劍」一樣，只盯住一個固定的頻率。（根據上文的公式計算，如果韋伯的鋁棒能探測到引力波，那麼對應的緻密天體的質量約為10倍太陽質量。）這大大縮小了可探測的頻率範圍，降低了發現引力波的概率。

此外，韋伯的引力波探測鋁棒要懸掛起來，以避免振動對它的影響；而且必須放在真空容器中，以減少空氣分子撞擊產生的碰撞信號。這在工藝上有著極高的精度要求，這些事情要做好其實非常難。

無法重複

韋伯做出鋁棒後，在鋁棒的四周貼上壓電陶瓷，就可以把測到的振動信號轉為電信號，並通過放大電路檢出。他就是用這種「守株待兔」的方式檢測來自宇宙的引力波。為了避免地震或者其他偶發因素的干擾、提高實驗的可信度，韋伯在距馬里蘭大學1000千米左右的阿貢國家實驗室也放置了一個「韋伯棒」。如果兩個遠距離的「韋伯棒」同時出現振動信號，就可以排除很多局部信號了。

1967和1968年，韋伯發表論文介紹「韋伯棒」的工作情況。到了1969年，他直接發表論文宣布探測到了引力波，這一下子引起了學術界的轟動。全球開始有其他研究組重複他的實驗，包括來自中國中山大學的陳嘉言教授也做了一個「韋伯棒」來探測引力波。但後繼者的實驗都沒有測到引力波。

韋伯的兩個探測器發現引力波的信號圖

很快，學術界開始質疑韋伯的實驗。韋伯宣布探測到引力波的事情不可重複，所以在當時有物理界的人對他做出負面評價，說韋伯已經淪為騙子，專門騙國家科學基金的錢做毫無價值的實驗。

有一位叫彼得·卡夫卡的物理學家曾回憶起當時物理學界對韋伯實驗的微妙感覺。卡夫卡說：「我在1971年的哥本哈根會議上和韋伯討論過這個問題。我和韋伯的觀點不一致。但是討論沒有結束，韋伯不得不離開了，因為他的第一任妻子去世了。然後在1972年春天，我為此寫了一篇文章說明韋伯探測到的引力波是可疑的，這使韋伯非常生氣。很快，我和韋伯又見面了。我記得我看到他的時候，有幾個人在一張桌子上吃午飯，包括韋伯。韋伯跟我打招呼說：『你好，彼得·卡夫卡。』 隨後，韋伯扭頭對一起吃飯的人說：『他說我是騙子。』說完就笑了起來。」

晚年的約瑟夫·韋伯（攝影：Jim Sugar/Corbis）

引力波探測先驅

韋伯的引力波探測器用的是機械共振，其精度不足以探測到引力波，這是後來學術界的共識。比如2015年9月14日，LIGO第一次探測到的引力波振幅為10-21，其在相距1000千米的尺度上產生的空間拉伸相當於質子的直徑。對於韋伯1.53米長的鋁棒，其空間拉伸量大約只有質子大小的百萬分之一，因此即使有共振效應，韋伯也是不可能測出來的。

雖然物理學界對韋伯當年的實驗持保留態度，但韋伯的雄心與抱負值得肯定，他是當之無愧的引力波探測先驅。2000年，81歲的韋伯在匹茲堡去世。而當2016年LIGO宣布真正探測到引力波時，LIGO邀請了韋伯的遺孀特蕾波爾參加了新聞發布會，以示對這位先驅者的尊重與緬懷。

韋伯的一生充滿傳奇，當年在航母沉沒的時候大難不死，後來探測引力波壯志未酬，其一生令人唏噓感懷。

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