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捕捉引力波背后的故事(之五):好赌的索恩与铁幕后的布拉金斯基 精选

已有 5077 次阅读 2018-2-23 07:31 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

加州理工学院是麻省理工学院的对立面。她们地理距离相当遥远,在美国版图上对角相望。一个在东北的波士顿市郊,美国历史的发源地;一个在西南的洛杉矶海岸,阳光、新潮。麻省理工学院规规矩矩地以自己的英文字母缩写(MIT)做简称,加州理工学院则采用发音更响亮、意义更明确的“CalTech”。2006年,一群麻省理工的学生伪装进入加州理工学院校园,将其镇校之宝的一门大炮偷出,千里迢迢地运回自己的校园展览。那只是这两个学校学生互相促狭的恶作剧之一。

当麻省理工在第二次世界大战中埋头钻研雷达技术时,加州理工的主要精力集中在协助冯·卡门(Theodore von Karman)、钱学森等人在校内创建的“喷气推进实验室”研究火箭技术。战后,这里的物理系也有着不同于麻省理工的鲜明风格。小小的校园里集中了一些杰出的理论物理学家,包括费曼和后来发现“夸克”模型的盖尔曼(Murray Gell-Mann)。

年轻的理论物理学家索恩(Kip Thorne)也在这里如鱼得水。

索恩的祖先是虔诚的摩门(Mormon)教徒,很早随着教会迁徙到蛮荒的西部沙漠犹他州。比较与众不同的是,他父母两人都拥有博士学位:母亲是当时稀少的经济学女博士,父亲是土壤化学专家,后来成为犹他州立大学主管科研的副校长。

索恩八岁时母亲带他去参加了一次天文学讲座,从此爱上了这门科学。他和妈妈一起在市中心画了一个与自己差不多大的太阳,然后沿着人行道按实际大小、距离比例画出各个行星,到最后他们已经走到了郊外,而要画的冥王星不过小指甲一般大。这样一粒小小的石子在围绕着整个小城转圈,是他第一个天文尺度上栩栩如生的图像。从那时起,他热衷于读阿西莫夫(Isaac Asimov)、盖莫夫等人写的科普读物和科幻小说。高中时,他为参加著名的西屋科学人才竞赛撰写了一篇七页纸的《四维几何》论文,获得州内头等奖。他妈妈很怀疑评委中是否有人真的读懂了论文内容(他妈妈自己读懂了前两页,他爸爸也只读懂前四页)。

1958年,17岁的索恩因为获得犹他州西屋科学天才竞赛奖而上了当地的报纸。

1962年,索恩从加州理工学院大学毕业,到普林斯顿做研究生。他师从惠勒,只用了三年就获得了博士学位。经过两年的博士后,他跳过助理教授一级,直接成为加州理工学院的副教授,又三年后成为正教授。这时他正好30岁,是该校历史上最年轻的正教授之一。在1970年代的加州,他披着长发,留着满脸胡子,一只耳朵挂着耳环,穿着大喇叭裤,两脚踏着拖鞋。与其说是大学教授,不如说是一个十足的嬉皮青年。

1970年代的索恩在黑板上讲解引力场。

放荡不羁的索恩还酷爱打赌。他的办公室墙上贴着很多打赌的字据,对手从像霍金(Stephen Hawking)那样的著名科学家到自己的学生应有尽有。每个字据都严格地写出所赌的内容、赌注及胜负标准等等,双方均郑重地签名(残疾的霍金无法自己签名,也按下了拇指印),有些还有第三方证人。霍金输了一个1974年关于黑洞的赌后,“被迫”赔给索恩一年的《阁楼》色情杂志,曾一时成为大新闻。

索恩打赌的字据三例。左:1974年与霍金;中:1991年与霍金,下面绿字是索恩自己写的“霍金认输了!”;右:1960年代与自己的研究生伯克(Bill Burke)。

据索恩自己总结,他打的赌中如果没有设定时间期限,他都赢了;反之,他大都输了。这说明他对物理现象很有把握,但在对科技进步的速度预测上又总是过于乐观。而霍金打赌总是输。他自我辩解是采取“对冲”策略,赌的都是自己相信的反面。这样如果万一自己错了,至少还能赢得一个赌注。

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与二十年前惠勒召集到教堂山的那一代理论物理学家不同的是,索恩成长在广义相对论研究的黄金时代。他们不再争论引力波能否存在,而是运用崭新的数学工具,结合新兴的计算机数值模拟技术,将理论研究推进到爱因斯坦可能也未曾想象的境地。1973年,索恩与师兄米斯纳(Charles Misner)和他们的导师惠勒一起合著了一本教科书《引力论》(Gravitation),洋洋1300页,集当时硕果之大成。在美国大凡接触过这个领域的物理、天文研究生人人都啃过这块大砖头。他们提起它来不用书名,而是直接用三位作者姓氏的缩写称之为“MTW”。

“MTW”三位作者米斯纳、惠勒、索恩(从左到右)与中文版的《引力论》合影

尽管硕果累累,索恩却总觉得有些失落。也许是受到办公室邻居费曼的影响,他对这些没有实验证据支撑的纯数学式科研逐渐感到厌倦。韦伯掀起的旋风竟然把他这个理论家也卷了进去。这时他准备以自己的职业前途下一个大赌注,投身于引力波探测这一是非之地。(特蕾波尔对他的想法却有另类解读:她在加州理工学院读研究生时,与年轻的索恩副教授曾有过一段浪漫史。她觉得索恩这时候之所以要探测引力波,是为了报韦伯的“夺妻之恨”。)

索恩对实验却也不完全是一窍不通。作为自由派知识分子,他对冷战中处于铁幕之后的苏联怀有相当的兴趣。从1968年开始,他几乎每年去苏联访问,有时候一呆就是几个星期。在那里,他结识了比他大九岁的莫斯科大学实验物理学家布拉金斯基(Vladimir Braginsky),很快两人建立了亲如手足的友情。

布拉金斯基那时正忙于折腾韦伯棒,自然也未能重复韦伯的结果。与其他人不同的是,他没有浅尝辄止,而是更深入地探究原因。他发现韦伯棒的设计有个本质性的缺陷:虽然它体积庞大,在引力波共振的敏感度上却会受到量子力学中“测不准原理”的限制,无法像韦伯所宣称的那样探测到引力波。

索恩的出现正是时候。两人你教我实验上的种种技巧,我教你理论中的点点奥妙,乐在其中。他们一起找出了克服韦伯棒设计缺陷的可能途径。在那之后的几年里,布拉金斯基的莫斯科大学和索恩的加州理工学院开始了长期的密切合作,试图在改进的韦伯棒上取得突破。他们对这个方向怀有极大的信心,反而对韦斯的干涉仪设计不屑一顾。

布拉金斯基还告诉索恩他的两个好朋友早于韦斯十年前就提出了用激光干涉仪测量引力波的设想(那时激光才刚刚发明了两年)。只是他们的论文发表在苏联的刊物上,不为西方所知。那两位也都是理论物理学家,没有提出具体的实验设计,只是估计了干涉仪可能达到的敏感度会比韦伯棒高几个量级。

韦斯开始干涉仪的试验时不仅不知道那两位苏联人的论文,他也不知道其实韦伯也早他几年尝试过干涉仪。韦斯自己一直坚持用干涉仪测量引力波不是他自己的独到发明,而是当时很多人都曾有过的想法——毕竟迈克尔逊和莫雷的干涉仪实验是物理学历史上的经典,用它来测引力波引起的距离变化是很自然的。韦斯与那两位苏联人以及韦伯不同的是他提出了非常具体、踏实的设计,尤其是系统地研究了各种可能的环境噪音影响和对付方法。因此,韦斯那篇发表在麻省理工学院的内部报告依然被认作引力波干涉仪实验的开山之作。

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MTW在1973年出版的那本《引力论》中有一章的篇幅专门讲述引力波探测的原理和方法,做了颇为详细的探讨。涉及干涉仪的却只有末尾一小段,不过是提醒读者章末有一道习题可以演示出干涉仪的敏感度会很差,不值一哂。

《引力论》教科书中涉及用激光干涉仪测量引力波的部分。

韦斯看到后很不以为然。1975年的夏天,他邀请索恩到首都华盛顿参加航天局主办的一次学术会议。索恩刚出机场便被韦斯“劫持”,直接开车到旅馆。两人关上门促膝长谈直至凌晨五点。那一夜,42岁的韦斯和35岁的索恩全面地审视了当时广义相对论领域的状态和发展前景,以及探测引力波的各种可能途径。最后,韦斯成功地扭转了索恩的偏见,接受了用干涉仪测量引力波的优越性。

被鼓起了干劲的索恩回家后便决定孤注一掷。与韦斯在麻省理工学院的遭遇正相反,加州理工学院自己有钱,也愿意投资于广义相对论研究。更巧的是,索恩在普林斯顿时的教授谷德伯格(Marvin Goldberger)这时候也来到加州理工学院出任校长。索恩近水楼台,游说赢得校方拨款三百万美元组建一个全新的实验室。中心任务是搭建一个相当大的干涉仪样机,实际地研究其可行性和所需的技术攻关。

有了资金做后盾,索恩最需要的是一个领军人物。布拉金斯基自然是他的第一人选。

布拉金斯基是苏联共产党员,却并不排斥西方的意识形态。他年轻时的理想是在苏联实现人性化的社会主义,结果很快就因为“犯错误”受到几次处分。有一次在欧洲的学术会议上,西方学者发言抨击苏联政府对以色列科学家拒发签证的政策,导致苏联科学家集体退席。索恩私下找到布拉金斯基,居然把他一个人拉回了会场。布拉金斯基那次回国后很久不再被允许出国。

索恩也注意到布拉金斯基出国访问从来没有带过自己的妻子同行。即便如此,他每次都不是一个人,总会有人陪伴。索恩怀疑随行的是负有监视任务的克格勃官员。同样的,美国的联邦调查局(FBI)也注意到他们的频繁来往。一次布拉金斯基访问加州理工学院时,联邦调查局人员来找索恩了解情况。爱促狭的索恩直接把来人带到布拉金斯基面前互相介绍,让他们自己“直接交流”。双方均大骇,甚是尴尬。其后索恩请求布拉金斯基在他访问莫斯科时如法炮制,好有个见识克格勃的经历。布拉金斯基却从来没敢如此造次。

布拉金斯基坦率地告诉索恩:“如果我应聘,我会被认定为叛逃者。我自动地就会与家人分离。他们会采取惩罚行动,以警告其他人不要学我的榜样。我可能不得不与家人分离十年、十五年。”索恩理解他朋友的处境。他也知道布拉金斯基责任感很强,不会轻易遗弃在莫斯科大学的团队自己跳槽到加州理工学院。

索恩也向韦斯索取了简历,收到后哑然失笑,回信调侃道:“你这里面肯定是缺了好几页吧?”韦斯对自己几乎从不发表论文的记录有自知之明,便向索恩推荐了苏格兰的德瑞福(Ronald Drever)。布拉金斯基也附议,他认为德瑞福与韦斯一样,都是完全可以独当一面的实验天才。

正当索恩在加州理工学院紧锣密鼓地开张他的人生豪赌时,从天文界意外地传来一个好消息:人类接到了天外来电,告知引力波确实是存在的。


(待续)




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