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捕捉引力波背后的故事(之八):枪口下的强迫婚姻 精选

已有 4443 次阅读 2018-4-5 07:27 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

物理学家深信自己的领域是在探索自然的终极真理,其它如化学、生物,只是物理在更复杂系统中的应用。工科则不过是在用已有的知识解决一些现实问题。他们常常会对某课题不屑一顾道:“这不是物理,只是工程”。

经过几十年的探索,寻找引力波的课题在1980年代逐渐离开了作为科学的物理领域,转化为一个修建大型激光干涉仪的工程问题。这样的一个项目能否成功,关键已经不再取决于韦斯的远见、索恩的理论或德瑞福的奇技淫巧,而基本上决定于一个字:钱。如何获取、使用及管理所需要的巨额资金,是这几个物理书呆子从来没有预料过、准备过的另类挑战。

1969年通过的曼斯菲尔德修正案禁止了军方对民用科技的资助后,美国政府在物理类科研的投资主要通过三个部门进行:能源部(DOE)、航天局(NASA)和国家科学基金会(NSF)。

能源部下辖二战中研制原子弹和雷达技术所延续下来的几个大型国家实验室。战后,以大型加速器、对撞机为代表的高能基本粒子实验是他们的拿手好戏,也是所谓“大科学”的鼻祖,在物理类投资中,能源部包揽了将近一半的金额。

1957年苏联成功发射了人类第一颗人造卫星,引发美国上下一片“我们落后了”的危机感,给战后的基础科学研究打了一针强心剂。美国旋即成立了航天局,与苏联展开太空竞赛。自然地,航天局也逐渐担负起利用人造卫星、宇宙飞船等工具进行天体物理测量、研究的课题资助,比如韦斯负责的宇宙微波背景辐射项目。

相对而言,1950年成立的国家科学基金会就差远了。创办这个基金会的初衷是要统一管理生物医学之外的基础科学研究(生物医学已经另有国家卫生研究院(NIH)主持),但这个目标在各方利益博弈的联邦政府中没能实现。基金会开始只是资助大学教授各自为战的“零售”科研,后来才以建造、管理一些诸如天文望远镜的设施方式开始有了自己的“大项目”。与能源部、航天局相比,却还是小巫见大巫。

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美国国家科学基金会会标和口号:“发现从这里开始。”

1980年代也是美国的一个黄金时代。逐渐摆脱了1960年代社会混乱、1970年代经济滞涨的美国进入一个高速发展阶段。在乐观的形势下,科学家们也都跃跃欲试,希望政府能更大规模地投资于基础研究,在科研上做出划时代的突破。

1983年,美国高能物理领域提出要建造名为“超导超级对撞机”(Superconducting Super Collider)的粒子加速器,目标是达到足够的能量,寻获众望所归的“希格斯玻色子(Higgs boson)”。当时欧洲核子研究中心(CERN)正连续地发现电磁和弱相互作用统一理论中关键的几个“中间玻色子(intermediate vector bosons)”,在高能物理独领风骚。发现自己落后了的美国的物理学家希望通过能源部的这个大手笔一举夺回领先地位。

航天局也在积极准备他们的下一个大动作。1984年初,里根(Ronald Reagan)总统在国情咨文演说中提出要在十年内开始建造在地球轨道上运行的大型永久空间站,亦即后来的“国际空间站”(International Space Station)。

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也是在1983年10月,韦斯终于完成了他花三年时间的激光干涉仪前期可行性研究,向国家科学基金会提交了一份题为《一项关于长基线的引力波天线系统的研究》的报告。与他十一年前在麻省理工学院发表的论文不同,这篇报告内容不是科学上的设计,而是属于工程范畴的规划。为此,韦斯专门聘请了两家精于承包诸如加速器建设的商业公司来评估建造大型干涉仪所需的材料、施工、管理等各方面开支。这份全面、详尽的报告后来被称为干涉仪项目的“蓝皮书”。它建议在美国境内选取两个不同的地点分别建造两个臂长一千米以上的干涉仪,初步估计需要至少七千万美元。

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韦斯1983年10月提交给国家基金会的“蓝皮书”报告封面。

显然,这个规模的预算远远超出一两个学校所能负担的极限,只能期望政府出资。

幸运的是美国科学基金会内部天体物理方向的主管艾萨克森(Richard Isaacson)对韦斯的提议情有独钟。他自己就是惠勒学生、教科书《引力论》作者之一米斯纳的学生,正是引力波领域的内行。在1940年代胡宁曾经参与过的那场双星系统中引力波是会引起轨道衰减还是膨胀的“盲目”争论之后,艾萨克森在1968年发表了引力波辐射会造成双星轨道衰减、塌陷的论文,是该课题中第一个真正令人信服的理论推导。

自然,他一直热情地关注着这个领域的动向。他与韦斯是很好的朋友,两人经常碰面,习惯于一起在湖边散步、交谈。加州理工学院建造40米长干涉仪的行动更触发了他的迫切感:他敏锐地看到这是在开创一个全新的物理领域,会有广阔的前景。财大气粗的能源部和航天局似乎都无缘涉足,正是他的基金会可以大显身手的好机会。在他的撮合下,基金会开始资助加州和麻省两个理工学院的引力波研究,包括韦斯主持的蓝皮书。

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1983年的德瑞福已经在加州理工学院半职上任了五年。在这期间,他一直孜孜不倦地在美国和苏格兰之间来回奔波。因为他有一半时间不在岗位,索恩又聘请了惠特科姆(Stanley Whitcomb)负责实验室的工作。格拉斯哥大学的实验室则有德瑞福原来的助手休夫替他照应。这样德瑞福可以更自在地做空中飞人。这个安排看起来很不错,却很快就陷入了僵局。

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德瑞福(右)和惠特科姆在加州理工学院的引力波干涉仪上的工作照,左右那两根管子便是各40米的两根“长臂”。

刚愎自用的德瑞福自认是这两个实验室的太上皇,完全不把惠特科姆、休夫以及他们各自团队成员当作平等的合作者,而只是给自己打下手的伙计。他主意又多又快,每天早上一到实验室就拿出晚上想到的新点子让人去尝试,却很少还记得自己前一天刚刚发过的指令。于是那些伙计们每天都像无头苍蝇一样忙乎,无法按部就班地进行系统的科研。

德瑞福高高在上,知道大家对他不满也不以为意,视之理所当然。他尤其喜欢在空中那近乎与世隔绝的十来个小时,可以一个人静静地思考。无论在大西洋的哪一边,一下飞机他便拿出又一个新颖的想法交给当地的伙计去尝试。

格拉斯哥那边是他的自己人,也因为文化传统一直对大教授容忍、客气。美国这边则怨声载道,经常出现德瑞福来之前就担忧过的顶撞、冲突。加州理工学院对他这脚踏两只船的心态失去了耐心,给他发出最后通牒:要他在两个学校中自己选一个定居下来,希望这样能改善同事关系。

德瑞福非常纠结。虽然他更喜欢家乡的环境,但终究还是放不下美国这边财力的诱惑。他终于辞去了格拉斯哥大学的位置,成为加州理工学院的全职教授。

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韦斯的蓝皮书是他的麻省理工学院团队与他聘请的两个商业公司的合作结果。作者名单中除了他们几个人之外,也包括了加州理工学院的惠特科姆,却没有索恩或德瑞福。

德瑞福是在韦斯已经定稿,准备向基金会提交之前才知道有这么回事的。那年夏天,他们在意大利的广义相对论会议(“GR10”)上聚到了一起。晚上,韦斯在旅馆房间里同索恩和德瑞福分享了蓝皮书的内容,说明他们必须合作才有可能将这个计划付诸实施。德瑞福一听就炸了,当着韦斯十来岁的儿子大发雷霆,强调他之所以决定全职到加州理工学院,就是为了自己能主持引力波探测。他不需要韦斯来横插一杆子,更没有与韦斯合作的必要。韦斯当时还没与德瑞福直接打过多少交道,不禁目瞪口呆。无奈的索恩也只能竭尽全力试图让他平静下来。

的确,德瑞福对韦斯背着他的自作主张极其恼火。他也从根本上反对蓝皮书中“一步到位”、马上建造长达一千米的干涉仪的建议。他认为当务之急是完善现有的40米模型,然后以取得的经验逐步加长、扩大,循序渐进直到成功捕捉到引力波。而且,他心底下还觉得,凭着他的心灵手巧,通过技术、仪器上的不断改进,可能并不需要很长的干涉仪就应该能成功地探测的引力波,没有必要兴师动众地浪费钱财。毕竟,他更心仪土法上马、因陋就简的实验方式。

德瑞福自己是看到韦斯的设计才进入干涉仪领域的。他对韦斯的早期工作非常佩服,认为韦斯独自开创出了一条可行的道路。但那已经是十年前的事了。在德瑞福的眼里,韦斯这十年一事无成,只是抱残守缺,在他1.5米长的螺蛳壳中做道场。干涉仪的一系列技术突破都是他在加州理工学院和格拉斯哥的成就,他已经完全拿下了这根接力棒。(韦斯则对德瑞福的“法布里—帕罗腔”深表怀疑,这时更看重的是德国比令实验室的一些贡献。)在他看来,韦斯这时来插足,不过是试图到他这里分一杯羹,甚或取而代之。

谁都明白,成功地探测到引力波会是科学史上的重大突破。而主持该项目的主要负责人会自然而然地成为诺贝尔奖的不二人选。在德瑞福和韦斯围绕战略、战术激烈争论的背后,已经开始有了为将来搏取上位的阴影。在韦斯提交了蓝皮书之后,他们三人陆续不断地跑基金会游说,各展其才:索恩勾画出美妙的天文图像、德瑞福表演五花八门的实验技巧、韦斯提供具体的工业化数据……他们都很令人信服,唯一缺乏的是一个共同、和谐的计划。基金会人员从每一个人那里听到的是“我们能做到”的信心,却无法弄明白他们准备如何去做。

艾萨克森终于失去了耐心,他决定在现有的40米长模型之后建造的下一个干涉仪必须是足够能探测到引力波的实用仪器,而不是又一个更大一点的模型。显然,这个决定更倾向于韦斯的眼光。要实现这一点,基金会不能再继续分别资助两个学校,而必须把劲往一处使。于是,他利用手上掌握的财权下令:要想得到基金会的资助,他们不能再互相拆台竞争,必须协调合作,组成一支统一的队伍。他“建议”由韦斯、索恩、德瑞福三人组成联合领导小组,按照俄罗斯传统把他们叫做“三驾马车”(troika)。

德瑞福非常不爽。他舍弃了格拉斯哥大学中说一不二的地位来到美国,便是要利用这里的条件继续他的随心所欲,绝没有与他人平起平坐的打算。但在基金会卡断钱源的威胁下,他却也不得不屈就。韦斯从一开始就知道要实现他的计划,双方必须走合作的道路。虽然他这时已经无法看好与德瑞福共事的前景,也只好抱着走一步瞧一步的态度。

索恩后来回忆说,基金会在那一刻端起了上膛的枪,强逼着德瑞福和韦斯结合,而他自己则不幸夹在中间沦为这个没有爱情的婚姻的调解师。

1984年,加州理工学院和麻省理工学院签订备忘录,正式合并两校的引力波项目,由三驾马车共同领导。韦斯内心很有些失落,这本来是他和麻省理工学院的首创,但他那些短视的校领导迄今依然对引力波无动于衷,甚至巴不得尽快地甩掉这块烫手山芋。合并后的总部自然而然地设立在加州理工学院校,主要的实验工作继续围绕着已有的40米干涉仪模型进行,争取基金会为大型干涉仪谋得需要的资金。

这场包办婚姻只维持了不到三年。


(待续)



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