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捕捉引力波背后的故事(之十五):新世纪的新一代 精选

已有 5287 次阅读 2018-6-11 08:05 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

2000年,天文学家奥斯特里克收到了索恩送来的一箱红葡萄酒:新的世纪没能带来索恩所期望的引力波好消息,他输掉了十九年前的那个赌。当初在国会对投资干涉仪持反对态度的奥斯特里克对正在调试中的干涉仪倒越来越感兴趣,只是还没有服气。索恩这时已经不再乐意打这种有时间限期的赌了。于是奥斯特里克又找了LIGO的另一名科学家打赌:你们在2019年1月1日前还是不会测到引力波。

德瑞福当年的助手、格拉斯哥大学引力波实验室主任休夫在2004年时发现英国一家从事网上博彩的立博(Ladbrokes)公司居然设立了一个引力波的大彩:如果科学家能在2010年以前探测到引力波,赔付率是500比1。好事的休夫觉得机不可失,便投了一注。

正在探测引力波的“内线”科学家下注的消息传开,引来一大批跟风者。立博公司被吓坏了,急忙将赔付率降低到10比1,后来又接着砍到只有6比1。公司发言人后来解释他们曾询问过一些物理学家,百分之八十的人回应是2010年之前不会有可能。休夫却信心满满,觉得可能性已经达到五分之一,甚至对半。

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2007年9月22日,汉福德和利文斯顿的数据记录中同时出现了一个微弱的不明信号。通过联网的数据分享,他们发现意大利的Virgo也有着相应的记录。因为那天恰好是秋分,这个信号被命名为“秋分事件”(Equinox Event)。LIGO科学合作组织的科学家们为这个“事件”花了一年多的时间进行细致的数据分析,最终得出结论认为信号太弱,不具统计意义。

三年后,2010年9月16日,又一个信号同时在三个干涉仪中出现。不仅它的强度明显高于噪音,而且其波形与一个黑洞和一个中子星碰撞合并的模拟计算结果相当符合。通过三角定位发现它可能来自大犬星座,因此被称为“大狗事件”(Big Dog Event)。

难道,这就是人们期盼已久的天籁之音吗?

LIGO已有的流程备案立刻被付诸行动。合作组织的科学家们一边对外严格保密,一边各就各位、按部就班地检查数据,逐一排除所有非引力波来源的可能性。即使三个天文台同时发现信号基本上排除了仪器附近的随机影响,还是有很多因素需要排查:那个时刻地球的任何角落发生过地震吗?有没有流星掠过地球或者陨石坠落?数字化后的控制、监测系统使用着大量的计算机程序,会不会软件里出现了“虫子”?

这个繁复的过程延续了半年之久。最后,他们终于确信这是一个真实的信号。于是,又一轮的分工合作展开,集体起草、修改准备向《物理评论快报》(Physical Review Letters)投稿的论文。很快,一切准备就绪。

2011年3月11日,350名科学家、工程师以及其他工作人员济济一堂,聚集在加州理工学院附近的一间会议室里。会场之外还有世界各地电话连线的100多人。他们一起最后一遍审阅定稿的论文,然后投票决定正式投稿。几个人忍不住当场讲话,表达激动的心情。

这时,LIGO主任马克斯(Jay Marx)走上讲台,在众目睽睽下拿出一个他已经独自珍藏了六个多月的信封,当众拆开密封。里面有一个微盘,储存着一个详细的计划书:秘密地在干涉仪系统中人为注入模拟的引力波信号。

与“秋分事件”一样,“大狗事件”其实只是一次演习。

半年多的心血和激情在一瞬间付诸东流的人们既震惊又平静。他们依然打开事先准备好的香槟酒,互相碰杯、祝贺,庆祝了一次“虚假的成功”。

韦斯、索恩、巴里什都是曾经耳闻目睹韦伯那场风波的一代人。他们对韦伯的经历刻骨铭心,内心里觉得干引力波这一行的人都因为他背负着“原罪”,必须异乎寻常地谨慎。在宣布探测到引力波之前,他们只能如履薄冰、战战兢兢地确认信号的真实。因为他们无论如何也经不起再来一次乌龙。

人为地注入假数据(blind injection)的演习是培养这种审慎态度的一个途径。这个计划事先只有主任身边的寥寥几个人知晓,注入过程本身的设计和实施也千方百计地做到滴水不漏。这样,所有的工作人员都被蒙在鼓里,实实在在地经受了一场考验。

马克斯还披露,在“秋分”和“大狗”之外,他们还进行过另外两次注入。结果却都石沉大海,没有被标识为可能的引力波信号。无论是“成功”辨别、处理那两次事件,还是错漏了另外的可能,这都成为LIGO人员宝贵的经验和教训。在那之后,他们又组织了详尽的“复盘”分析,从仪器硬件、软件到数据的采集、识别以及工作人员之间的交流等等每一个环节进行一丝不苟地复查、梳理,从中总结出一整套严格、成文的操作流程,为下一次信号——无论是真的还是假的——的到来做好准备。

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马克斯是2006年接任LIGO的主任职务的。2005年,巴里什从加州理工学院的教授位置上退休,同时辞去了LIGO的主任。

经过十一年的努力,巴里什心满意足。他已经完成了挽救LIGO的使命,将她带上了正常运行的轨道。他没有回家养老,而是以“退休教授”(Professor Emeritus)的身份继续从事他喜欢的科研。只是他不再留恋引力波,而是回到他的老本行:美国正在酝酿建造新一代的“国际直线对撞机”(International Linear Collider)。他抓住机会,领衔主持总体设计。与众多的大科学项目类似,这个对撞机现在依然陷在预算的泥潭中。

巴里什离去后,惠特科姆担任了一年的LIGO代理主任,然后由马克斯接手。

当世界进入新世纪时,韦伯“发现”引力波已经过去了三十年。费曼已于1988年去世;他的导师、长寿的惠勒在2008年告别人世。当年被韦伯激发出捕捉引力波热情的那一代人,也陆续走完了他们的学术旅途。

2001年,70岁的韦斯成为“退休教授”。他没有离开心爱的干涉仪,反而把大部分时间花费在汉福德或利文斯顿。他最喜欢的是独自一个人沿着干涉仪的4千米长臂来回行走、巡查。他随身带着工具,像机修工那样不时敲打不锈钢的外壳,倾听着回音。也许在他的想象中,这些回音里隐藏着微妙的引力波旋律。但更多的是,他会在手电筒的灯柱下发现破碎的玻璃、成灾的鼠群以及各种毒虫。它们的尿液腐蚀着不锈钢,留下刺眼的锈斑。LIGO的年轻人都不得不承认,没有人比韦斯走过更长的路,没有人能比他更熟悉干涉仪中每一寸肌肤、每一个角落。

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老年的韦斯终于找到了通往黑洞的途径。

及至2008年,韦斯有一次到加州理工学院开会时突然意识到已经很久没见到过德瑞福了。询问之下,当地同事也没有人知道他的情况。

德瑞福被从LIGO项目扫地出门后曾经向学校的学术委员会申诉,试图找个说法,挽回位置,但没有成功。他在加州理工学院有终身教授职位,不会轻易被解雇。学校另外给他提供了科研资金,他也没什么兴趣,明白自己无论再干什么都不可能与这个项目相比。即使在沃格特被解雇、大部分与德瑞福有过节的人离开了之后,惠特科姆依然不允许德瑞福直接参与LIGO。他只能通过公开的学术研讨会关注其进展。

还是巴里什上任后取消了针对德瑞福的“禁令”,鼓励他重新归队。德瑞福成为LIGO科学合作组织一员,也经常出现在各种会议上。只是此时他像是换了一个人,自己静静地旁听,不再参与,更遑论惹是生非。这样,没人注意到后来他就没有再现过身了。

韦斯自己寻找到德瑞福在校园里租住的小公寓,发现里面一片狼藉,堆满了书籍资料和衣物,基本上没有家具。几句交谈后,韦斯意识到德瑞福表现出明显的老年健忘症。

德瑞福在1980年代离开苏格兰故乡,只身来到美国加州。他心目中只有引力波事业,二十多年只生活在实验室,没有交过朋友,更没有结婚,一直是孤身一人。自从被他心爱的事业抛弃后,他的个人生活更是每况愈下,以至于无力自理竟也不为人知。

无奈,加州理工学院的一位教授设法联系上德瑞福老家的哥哥,然后陪同德瑞福从洛杉矶飞到纽约,直到把他送上回格拉斯哥的飞机。

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沃格特被迫离开LIGO之后也进入了退休年华。他对加州理工学院、对美国这个他自己选择的国度的爱丝毫没有因为这段经历而减弱。他离开科研领域,干起了独立咨询,为美国政府提供国家安全、核裁军等专业服务。即使是在85岁的高龄,他依然深入阿富汗前线,并曾遭遇伏击受伤。他乐此不疲,虽然他的工作属于保密范畴,不为外人所知悉。

索恩是在2009年退休的。他选择的却是一个不同凡响的退休生涯。

早在1984年,康奈尔大学天文学家、著名科普作家萨根(Carl Sagan)在创作科幻小说《超时空接触》(Contact)时,对自己设计的女主人公堕入黑洞而穿越超空间的情节没有把握。他找到好友索恩,请这位引力大师为他把关。

索恩当即否定了通过黑洞穿越的可能性。他受到故事情节的启发,意识到广义相对论中有“虫洞”(wormhole)——早在1930年代,爱因斯坦和罗森便发表了这方面的第一篇论文,当时被称为“爱因斯坦—罗森桥”——可以借之穿越时空。还在与家人一起度假的时候,索恩便推导出虫洞旅行的数学方程。于是,萨根修改后的科幻有了更扎实的科学后盾。索恩也得以发表一系列学术论文,重新点燃了学术界对虫洞的兴趣。

这一番合作令索恩重温自己幼小时沉迷于阿西莫夫等人的科普书的美好时光。他开始自己创作科普作品,于1994年发表了《黑洞与时间扭曲》(Black Holes and Time Warps)。退休以后,他便专注于写书,还有……拍电影。

当初萨根还顺带给离婚不久的索恩介绍了《纽约时报》编辑奥斯特(Lynda Obst)。他俩约会了几次,没能擦出爱情火花,倒真的成了多年的好朋友。奥斯特参与了《超时空接触》改编成电影的过程,后来摇身一变,成为好莱坞电影制片人。十多年后,她又找到索恩,希望合作一部虫洞旅行的新电影。两人花了几个月的时间写出故事梗概,然后由诺兰兄弟(Jonathan Nolan、Christopher Nolan)分别编剧、导演,最终成为2014年的大片《星际穿越》(Interstellar)。

《星际穿越》不仅获得票房上的巨大成功,还成为科学、娱乐界携手合作绝无仅有的奇葩:索恩担任影片的执行制片人,还负责科学背景。他自始至终坚持电影中的科学成分必须真实、准确,不得随意“艺术发挥”。大导演诺兰想增加一个超光速旅行的情节,索恩坚决反对。争执了两个星期后,诺兰不得不放弃。

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索恩在准备拍摄《星际穿越》一个场景中写满数学公式的黑板,旁边是影片中的演员查斯坦(Jessica Chastain)。

电影里所有高科技效果都来自根据索恩提供的数学方程用超级计算机产生的模拟图像,这与LIGO项目中模拟不同星体的碰撞研究其实没有多大区别。的确,电影发行后,索恩又与负责特技的几位艺术家合作了两篇如何将黑洞、虫洞等抽象概念视觉化的论文,分别发表在同行评议的正式学术期刊上。索恩自己也出版了科普新作《星际穿越中的科学》(The Science of Interstellar)。

正牌物理教授成为好莱坞电影制片人;好莱坞艺人在物理期刊上发表学术论文。如此壮举,的确是前无古人,不知道会不会后无来者。

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2011年,初级版的iLIGO完成了历史使命,关机下线。在之前的十来年里,工作人员理清了各种环境噪音的来源、特征和影响,摸索出了一整套调试、操作仪器和处理数据的程序。虽然没有能见证到真正的引力波,他们在不知情的演习过程中的表现得到了一致的好评。

新一代干涉仪——aLIGO——这时也已经在实验室中“孵化”完毕。崭新的激光器、匪夷所思的四级悬摆“主动隔离”系统已经来到,跃跃欲试地准备大显身手。随着仪器的更新换代,马克斯也离任了,将LIGO主任职位传给刚刚50岁的赖茨(David Reitze)。

与大型高能粒子加速器类似,激光干涉仪的日常运作没有什么物理、科学内容,而“只是工程”,包括冗繁、细致的仪器调试,没日没夜的监控、记录,无休无止的数据分析、软件修改……从事这些工作的是新一代的年轻人。他们大多是博士后或研究生,来这里只是工作两三年,或者完成学位论文,或者另谋高就。LIGO是铁打的营盘流水的兵。

他们来自世界各地,操着各式各样的口音。他们大多是70后、80后甚至90后,最多只是听说过韦伯——那个悲剧故事对他们来说只是遥远的历史。这些年青人兢兢业业、一丝不苟。他们没有韦斯们那种“原罪”的精神负担,但承继了他们严格、精准的科学态度和程序化管理。他们阳光向上,乐观地期待着引力波在他们的眼前出现。

LIGO的这场脱胎换骨需要四五年时间。意大利的Virgo也选择与LIGO同步升级。因为他们在臂长上自愧不如,便在悬镜系统上下了更大的功夫,以求接近后者的灵敏度。

在这寂静的四五年里,地球上的三大干涉仪都下了线,只有小字号的GEO600还在孤独地聆听着遥远的太空。谁也没有、也不会指望GEO600可能独自探测到引力波信号。但作为科学前沿的探索者,LIGO的人们也时不时会不由自主地心有戚戚:在这漫长的等待中,会不会从哪里突然冒出什么人来抢占他们的风头?


(待续)




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