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捕捉引力波背后的故事(之十四):超越国界的大协作 精选

已有 6172 次阅读 2018-6-4 07:22 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

华盛顿是美国西北角的一个州,经常会被人与东部的首都华盛顿特区搞混。与西海岸的其它州相似,这里的居民只聚集于沿太平洋海岸的一些城镇里。如果离开海岸线向东走,很快就会进入人烟稀疏的山区和荒漠。

1942年底,惠勒伴随着一些神秘人物来到荒凉的华盛顿州东南部。经过一番考察,他们选定一个叫做汉福德(Hanford)的小镇,以战争的名义迁走附近一千多散居人口,设立了美国第二个核燃料生产基地。惠勒更是把他全家都搬到这里生活了一年多,设计、建造了世界上第一个大型钚(plutonium)工厂。1945年8月,人类第一颗原子弹成功试爆。它和稍后在日本长崎爆炸的“胖子”(Fat Man)使用的都是这里生产的钚,大大地加速了第二次世界大战的结束。

1960年代末,汉福德的反应堆完成了它的历史使命,一个个停产关闭。当地的设施转换为能源部所属的国家实验室之一,主要任务却是治理几十年的核燃料生产给当地自然环境所造成的严重辐射污染。

二十来年后,一批下一代的物理学家再度造访这个荒漠,选定汉福德为建造干涉仪的两个地点之一。

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1993年,德瑞福在汉福德附近的沙漠中一锹定音,选定建造干涉仪的地点。

除了地广人稀、土地已经为政府所有,可以避免购并、拆迁等麻烦手续以外,汉福德还具备一个显著的优势:虽然地处西海岸,这里的地质、地理、天气都比较“安静”,不像其它太平洋沿岸经常有大大小小的地震、大风、雷雨,会给灵敏的干涉仪带来不必要的干扰。

西部的地点选好后,还需要一个与之相对的地点,这样只有在两个干涉仪同时测到信号时才能作为是引力波的可能,撇除其中一个地方偶然、随机的环境信号干扰。LIGO开始选择的是与汉福德纬度相近的东北部的缅因州,后来却因为“种种原因”临时改成了东南部的路易斯安娜州的小镇利文斯顿(Livingston)附近,让当时正在积极游说缅因参议员的沃格特很是被动。

对利文斯顿这个选址很不满意的还有韦斯,他的缘由是出于科学而不是政治。利文斯顿几乎就是后来在2005年遭受飓风灭顶之灾的新奥尔良市的郊区,邻近墨西哥海湾,一年中有一半时间可能有飓风光临。更有甚者,美国的第二大输油管道正从干涉仪所在的地下穿过,也是令人头疼的干扰源。(相比之下,汉福德那边就只有核辐射会令人不快,而干涉仪不在乎辐射。)

除了同样的地广人稀,利文斯顿的地理环境几乎完全是汉福德的反面。这里是美国东南部特有的沼泽森林地带。海拔只有区区十米。建筑干涉仪时挖掘的沟道很快便灌满了水,繁殖起大量来路不明的鲈鱼,以及冲它们而来的鳄鱼。

LIGO在两个不同地点建造干涉仪与早年韦伯将他的韦伯棒置放在两个不同地点是出于同样的考量。但作为大科学的LIGO与韦伯的单打独斗自然不能同日而语。汉福德和利文斯顿几乎处于美国版图的对角线上,分隔很远。它们之间直线距离超过3千公里,以光速传播的引力波如果从一个站直接传到另一个站也需要10毫秒的时间。因此,如果两个站接收的信号不是严格的同时,就可以通过其时间先后和差值估算出引力波来源的大致方位。

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汉福德(左)和利文斯顿(右)两个地点的干涉仪和它们在美国地图上的位置(中)。从照片中可以看出两个干涉仪所处的地貌之不同。

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在美国人为了他们的干涉仪焦头烂额、屡败屡战的那十来年里,欧洲人也没有完全闲着。

德国普朗克研究所的比令在韦伯棒和干涉仪上浸淫几十年后已经在1989年退休了。他的学生、同事继续着他开始的事业,与德瑞福留在格拉斯哥大学的实验室合作成立了一个名叫“德国英国天文台”(German-English Observatory)的项目。他们本来策划了相当于一亿欧元的预算大干一场,结果成功在望时却因为“天不时”而功亏一篑:1989年11月9日,柏林墙在东欧的剧变中“倒塌”,二战之后分离了将近半个世纪的东西德国终于统一。在举国欢腾中,原来西德政府的大量科研资金与其它政府预算一样被转向资助东德兄弟,许多项目被撤销。GEO便成为牺牲品之一,只是他们的不幸同时却是他们国家民族乃至欧洲之大幸。

及至1993年,他们终于得到私立大众汽车基金会的资助,在德国汉诺威市附近修建干涉仪。只是,他们获得的微薄资金只能建造一个臂长600米的小家伙——与比令当年在实验室里建造的相比也只大了区区20倍。这个干涉仪因此被昵称为“GEO600”。

意大利的物理学家不甘落后。他们与法国人合作在两国政府取得资助,在著名的“比萨斜塔”附近修建起一个臂长3千米的干涉仪,取名叫做“Virgo”。与LIGO和GEO不同,这个名字不是什么缩写,而是星空图中“处女座”的名字。处女座实际上是由1500来个星系组成,距离我们大概5千万光年,相对来说还不算太远。Virgo的设计者希望他们的灵敏度足以探测到那些星系里的双中子星合并所发出的引力波信号。

1950年代,西欧十二个国家从战后的残骸中崛起,联合建立了欧洲核子中心与美国的加速器、对撞机竞争、抗衡,也同时开创了欧洲国家摒弃互相之间的历史纠纷走向统一的新纪元。欧洲核子中心不仅逐渐与美国平起平坐,更因为美国这边超级对撞机的取消而获得高能物理实验中几乎独领风骚的地位。除了核子中心,欧洲也有一个与美国航天局对应的欧洲空间局,联合各国开展卫星发射、空间探测等科研活动。

引力波是一个前所未有的全新领域,欧洲尚未建立如同美国科学基金会的庞大、统一的科研资助机构。因此,干涉仪的研制、修建还是个别国家的各自为战和局部合作。(荷兰、波兰、匈牙利、西班牙后来相继加入了法国和意大利的Virgo项目。)无论是GEO600还是Virgo,在规模和灵敏度上都比LIGO逊色不少。它们无法与LIGO分庭抗礼,只能担任辅助角色。

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1997年,美国汉福德和利文斯顿两个选址的基础设施建设均已接近尾声,开始进入科学仪器安装、测试阶段。两个地点虽然外表地貌看上去截然相反,两个干涉仪的建筑却无论内外都一丝一毫不差,几乎无可分辨。唯一的区别是里面有几扇门在一个地方是开左边的门而在另一个地方是开右边,令那些两边来回穿梭的工作人员颇为郁闷。

巴里什的眼光这时已经投向更为长远的计划。他知道,一旦干涉仪进入调试、运转状态,会需要大量的专业人力监控、分析、处理这个复杂的大家伙分分秒秒所产生的大量数据。如果探测到可能的信号,更需要大量的复查、核实和检验工作。这些可能不是他自己的团队所能胜任。同时他也认识到,只有开放大范围的数据合作、分享,才可能避免重蹈韦伯时代的覆辙。

于是,他又展开一次机构改革,创建了一个“LIGO科学合作组织”(LIGO Scientific Collaboration),邀请全世界的科研人员自愿加入,协助由加州理工学院、麻省理工学院所共同管理的汉福德、利文斯顿两个干涉仪实验室的工作。巴里什指定韦斯担任合作组织的第一任发言人,其后的发言人则定期由组织的成员选举产生。

2007年,LIGO科学合作组织与Virgo正式签署协议,进入几乎是合并的共同运作模式。两边的科学家不分你我,展开全面的技术合作,实时分析所有数据,共同发表论文、发布新闻。Virgo的加入不仅能够为LIGO的两个干涉仪提供进一步的独立验证,而且还提供了地球上的第三个探测点。如果三个干涉仪探测到同一信号,便可以进行“三点定位”的几何计算,比两个探测点更能准确地确定引力波的来源所在。

时至今日,LIGO科学合作组织已经拥有1200多科学家成员,代表着18个国家、108个科研单位,其中包括中国北京、台北的两个清华大学和香港的中文大学。引力波的探测不再是几个科学家在实验室中的梦想,不再是个别国家的壮举,而成为全球性的事业,全世界科学家共囊的盛举。

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参与LIGO科学合作组织的部分大学和科研机构。

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除了极少数科学界人员,LIGO的使命并不为外人所知。尤其是在比较封闭、落后的路易斯安娜州,当地人对这个坐落在森林中形状诡异的庞然大物甚是好奇。有人认定这是政府与外星人联络的秘密基地;有人则认为这是一个穿越时间旅行的港口——那两条长臂正是一条通往过去,一条连接未来。

更有甚者,有好事者竟把这些平常没有什么人员活动的建筑当作靶子练习射击。当工作人员赫然发现墙壁上有嵌入的子弹头时才知道其中厉害。联邦调查局介入了调查,也无可奈何,只是建议他们增建更牢固的外墙做保护。巴里什则亲自深入群众,到当地的狩猎俱乐部拜访、座谈、共进午餐,和善地解决了问题。

荒漠、遗弃了的汉福德附近没有多少闲杂人等,却也不尽太平。有一次一位保安人员一时兴起在深夜荒地里飚车,失去控制后撞上了干涉仪长臂的混凝土外壳。他自己多处骨折,侥幸保住了性命。对LIGO来说,更幸运的还是事故的撞击力只造成长臂真空系统的细微泄露,很快得以补救。如果撞得更狠一点,造成大规模的真空损失,那整个干涉仪便要停工很久才能重新恢复、建立其超高标准的真空。

人为的事故只是偶然发生,LIGO的工程师更为专注的是可能存在的环境干扰。

为了精确地掌握各种噪音来源,两个地点的工作人员都花费大量时间精力调查可能的干扰源,在附近的公路、工业和输油用管道等部位安置了大量的灵敏地震仪(seismometer)监测振动,为干涉仪中悬挂反射镜的“主动隔离”系统提供参考数据。这些不同来源的噪音发生在不同的频率段,有着各自特定的频谱“指印”,可以在干涉仪数据中辨识。

汉福德往西大约300千米便是美国的西海岸,太平洋的波浪时刻都在冲刷着岸边的沙滩和礁石。利文斯顿距离墨西哥海湾更是不到那一半的距离。即使在风平浪静的日子里,海浪有规律地拍击也是干涉仪可以清楚地探测到的环境噪音之一。

在几乎所有的环境噪音干扰源都核查清楚后,利文斯顿的人们遇到了麻烦。他们发现有一个经常发生、颇有规律的噪音无法辨认出来源。他们投入了整整一个夏天,依然是令人沮丧地莫名其妙。终于,在一个宁静的临晨,韦斯在驾车上班的路上无意中瞥见森林里有人在砍伐树木。他灵机一动,立刻登上楼顶的高处观望,同时与在监听噪音的工作人员电话联系。果然,每次他看到一颗树倒地,工作人员便同时观察到那个不明噪音的信号——他们的干涉仪已经灵敏到足以回答那个亘古难题:“假如一棵树在森林中倒下……”

为了杜绝这一干扰,巴里什曾试图买下干涉仪周围更大范围的地盘。但拥有这片森林的林业公司乘机抬起高价,超出了政府科研预算所能承担的标准。于是,工人伐木便也成为干涉仪悬挂系统需要对付的常规噪音之一。

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LIGO对环境噪音实时监控截图。左上是邻近海浪拍岸的“水声”,右上是人类砍伐树木的动静(中间的空白部分便是工人午饭、休息的间隙)。

2001年5月,初级的iLIGO终于进入试运行。经过几年的辛勤调试,其灵敏度从10-19逐渐改进到10-21,达到了预先设计的目标。这一成功不仅令科研人员欢欣鼓舞,也最后不再有疑义地赢得了国家科学基金会的信任。2008年,基金会顺利地批准了下一步建造升级版的aLIGO的后续资助。

在aLIGO能够到来之前,iLIGO保持运转状态,凝听着宇宙的静谧。在这个灵敏度上有没有可能撞上大运,正好收听到引力波的轻弦一拨?所有人都在翘首以待着。


(待续)




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