雷纳·韦斯：耗尽半生追寻宇宙引力波的人

高荣伟

2017年10月3日，诺贝尔奖物理学奖揭晓，三位得主是来自美国的雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什（Barry Clark Barish）。他们的主要成就是通过LIGO科学合作组织首次探测到宇宙引力波。

其中，现年85岁的雷纳·韦斯为这一重大发现作出了卓越贡献。诺贝尔奖评选委员会说，LIGO的创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·韦斯在约40年前提出了探测引力波的方法，“在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域，韦斯教授卓有成效的工作，为‘捕捉到引力波发挥了至关重要的作用。”

纽约曼哈顿长大的调皮生

雷纳·韦斯，1932年出生于德国柏林一个犹太家庭。在“二战”前夕，为逃避德国的政治动荡，他的父亲做出了一个明智的决定——逃离德国，举家搬往捷克斯洛伐克首都布拉格，继而于1938年搬迁到了美国。

韦斯在纽约曼哈顿上西区长大，是一个拥有“工匠天赋和街头智慧”的孩子。韦斯的父母一个是医生一个是演员，虽然也算书香门第，但少年时代的小韦斯并没有展现出对科研的特殊天赋。这个时候的韦斯酷爱古典音乐和电子产品，还是“一个快乐的喜欢摆弄小机械的人”。

小韦斯为小机械所吸引，其中一个重要原因出于对弥漫着崇尚知识浓厚氛围的家庭的逆反心理。“韦斯是一个来自德國的小难民，其父母亲有着极高的文化知识素养。韦斯会通过做这些小手工活反抗他们。”韦斯的儿子、历史学家本杰明·韦斯几十年后回忆说。不过，作为家里唯一的儿子，在某种程度上韦斯仍是家里的王子。比如，无论何时全家搬到新的公寓，韦斯总是能为自己争取到最大的房间。

在学校里，韦斯并不是一名差生。“他很聪明，并且对所有事情都感兴趣。”韦斯在哥伦比亚语法和预科学校的同学、如今已从杜克大学退休的心理学家迈克尔·华莱契（Michael Wallach）对此表示赞同。“韦斯的科学能力在学校得到广泛认可。”华莱契说。尽管他看上去确实像个街头小混混，并且曾在一次街头争斗中被打折过腿。韦斯偶尔会逃课，不过，他肯定不会在街角闲逛，“他会到市政厅听钢琴独奏会。”

韦斯走上科研道路有着不少机缘巧合。韦斯展现出过人的实验动手能力是自纽约电影院的一场火灾后。这场突如其来的火灾使得纽约电影院的扬声器等设备成了无主之物，而小韦斯就把这些无主之物“搬运”到自己的家里摆弄。

当时，正值“二战”结束后不久，许多原来军用管控的变压器、真空管等物资一下子堆积成山。这些电子器件都成了他的“囊中之物”。他还会购买一些军队剩余的配件，搭配着满大街找来的器材，然后在卧室“修理”。令人吃惊的是，他居然捣鼓出了不少质量还算得上可以的无线电收音机，甚至高保真音响“设备”——高保真音响这个概念也许还没出现的时候，韦斯就捣鼓出了这么一个玩意儿。

凭借着自己的手艺，韦斯在纽约的犹太人圈子里渐渐小有名气，因为常常有人会慕名而来，围坐在他的收音机旁收听纽约爱乐乐团的演奏。小韦斯甚至一度同街上到处流浪、无事生非的小混混们达成协议：街上的小混混们在韦斯往返于地铁站捡拾收音机和其他废弃物件时，如果睁一只眼闭一只眼，韦斯会帮助他们免费修理收音机。

长大后的韦斯有时候会这样开玩笑说：“年少时，如果没有选择科学，也许我会成长为一个音响业大贾。”事实证明，驱使他走进大学，并走进科学殿堂的，正是这段DIY（修理设备时不请专家，自己动手，居家制作）的经历。

不过，小韦斯发现，靠他半吊子的数学水平，终归无法解决自制留声机的刺耳噪声问题。这是他决心报考麻省理工学院（MIT）的一个直接动因。“直到进入麻省理工的理工科学习的时候，我才知其然，也知其了所以然。”

韦斯的大学生活并非一帆风顺。年轻气盛的韦斯在大学期间坠入了爱河，一度为了爱情冲动地选择退学。不过，他很快又重返麻省理工学院。23岁这一年，韦斯获得麻省理工学院学士学位，不久，他又获得该学院博士学位。在塔夫茨大学（Tufts University）和普林斯顿大学工作一段时间后，1964年，雷纳·韦斯担任MIT物理学教授，一直延续至今日。

一项来自韦斯教授设计的课堂练习

在此后长达近半个世纪的科研道路上，韦斯为自己赢得了全球著名物理学家的声誉。他为了寻找引力波，长期致力于LIGO研究。这是他曾经尝试过的最大胆的试验之一。

所谓引力波，打个比喻，如同石头丢进水里产生的波纹，它是一种在时空中荡起的涟漪。早在1915年，爱因斯坦在其广义相对论中提出，时间和空间在质量面前会弯曲，时空在伸展和压缩的过程中，会产生振动传播开来，这些振动就是引力波。爱因斯坦预言，强引力场事件可产生引力波，比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。爱因斯坦指出，引力波以光速传播，并且在宇宙中无处不在。它们总是来自有质量物体的加速过程，例如当两个黑洞绕着彼此旋转的过程。

就人类居住的地球来说，随时随地都可能遭遇来自宇宙中各种源头的引力波：两个黑洞合并、中子星自转、超新星核塌缩等。然而，即使是像黑洞这样巨大质量的系统相互碰撞、合并，产生的引力波信号传递到地球的时候也是很微弱的。就连爱因斯坦本人也想象不到，能通过什么样的方法探测到引力波。

尽管爱因斯坦预言了引力波的存在，但科学界长期没能探测到它。爱因斯坦曾一度确信，“引力波永远不可能被测量出来”。当年，爱因斯坦曾指着他的引力公式说道：“我们所研究的数字和维度都太小了，小到不会对任何事物造成影响，也没有人能够测量。”对此，韦斯后来指出，“当你回想1916年的技术条件时，爱因斯坦可能是正确的。”endprint

LIGO的故事始于20世纪60年代。马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）认为，“如今，从当下的技术条件来看，我们已经具备了探寻引力波的各种必须条件”，他发明了一种探测引力波的方法，想象有一种具有极大质量类似木琴的东西，称为谐振棒（韦伯棒），当有引力波穿过时，谐振棒会在不同方向上被拉伸和压缩，同时产生一个脉冲信号。当引力波的频率恰好和谐振棒本身的特征频率相符的时候，则会产生可被探测到的声音。不久，韦伯宣布他已经发现了引力波。

此时，雷纳·韦斯正在麻省理工学院任教。“我在教授课程时，学生也很有兴趣去了解这方面的知识。说实话，当时我觉得可能一辈子都弄不明白韦伯在做什么，这就是问题所在。”“因为这与我当时对广义相对论所有的认知相左，所以我也无法向学生解释。”这就是雷纳·韦斯一开始研究引力波时的窘境。

直到一年后，韦斯教授意识到韦伯的实验可能“有些问题”，因为其他人都没有得出他的结论。或许是他的实验方法有问题，甚至是整个理论体系都出了问题。

雷纳·韦斯教授思索：用什么方式才能够最简单地向学生展示引力波的影响呢？一个很显然的方案是：对在太空自由飘动的物体，测量光线在它们之间往返所需的时间。如果存在引力波，光传递的时间会有变化。通过对传递时间差异的观察，可以测量引力波的振幅。“这一过程的公式很容易编写，班里的绝大多数学生都能做到——请忽略当时并没有精密仪器去做测量，而仅仅停留在脑力实验这一事实。”韦斯教授补充道。

一个夏天，韦斯教授在一栋“胶合板宫殿”的小楼房里，久久思索着寻找引力波的方法。他回忆说：“突然间，我的脑海里产生了一束白光——激光，对！就是激光！是不是可以考虑使用激光来探测宇宙之中的引力波？”答案是肯定的，激光绝对是一种比韦伯的方式更有力的验证手段！对此，韦斯教授坚信不疑。很快，韦斯教授发明了干涉引力波探测器，并联合创立了美国国家科学基金会LIGO项目。

LIGO项目很快由理论变成了实践。为“捕获”引力波，美国国家自然科学基金会于20世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个“激光干涉引力波天文台”（Laser Interferometer GravitationalWave Observatory，LIGO）。LIGO系统由这两个相距1865英里，且完全相同的探测器组成。这两台LIGO干涉仪在一起工作构成一个观测所。

LIGO激光干涉引力波探测仪的基本思路是这样的：两条长度相同的探测臂呈L型放置，在L中间的拐点处放置激光源，沿两条管子各发射一束激光，而在两臂的末端放置一面镜子来反射激光。在真空中，两条同时发射的光束应该同时返回中间拐点相逢，在干涉作用下，光束不会抵达光电探测器。但如果有引力波穿过探测仪，两条真空管中的空间会出现微小的拉伸与压缩，两条光束就会出现光程差。根据爱因斯坦在100年前提出的理论，引力波会导致两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩，由此破坏了它们原有的完美平衡，从而使光线外泄到光电探测器上。

迄今为止，LIGO已汇集了来自美国本土的大学，如麻省理工学院，以及来自全球15个国家、超过950位的科学家。但很难想象，在约50前，LIGO仅仅是麻省理工学院物理学教授雷纳·韦斯设计的一项课堂练习。

天文学终于有了自己的耳朵

自20世纪60年代开始，科学家们花了近半个世纪搜寻引力波，但是一直没能找到。引力波成为世界自然科学中最大的一块缺失的拼图。但是科学家们相信引力波的存在。在物理学圈内，人们普遍认为，谁能发现他，谁就一定能够得到诺贝尔物理学奖。

2015年，一百年前曾被阿尔伯特·爱因斯坦所预言的宇宙引力波第一次被探测到了。这年的9月14日，据当地媒体报道，美国“位于华盛顿州和路易斯安娜州的两台LIGO探测器完成升级，刚刚开始运行的几分钟时间内就幸运地探测到了第一例编号为GW150914的引力波”。这一发现被称作“上帝的礼物”。

当时，1000名利用激光干涉引力波天文台（LIGO）开展研究的物理学家，在两个星级质量的黑洞位于距地球差不多10亿光年的地方相互围绕着旋转时，探测到了其辐射出的脉冲波。“两个黑洞在数千万年间相互绕转，不断地释放出引力波。它们之间的距离越来越近，最终在短短零点几秒的时间里猛烈碰撞，融合在一起，形成一个新的黑洞。融合瞬间释放的能量增强了引力波。”“宇宙中这两个黑洞发生碰撞之后，所产生的引力波跨越漫长时空，它们经过13亿年的长途跋涉才到达了美国的LIGO探测器。”科学家们在接受采访时如是描述。“我们在地球上听到的，就像是宇宙的啁啾信号在一瞬间的增强之后，戛然而止。”

2016年2月，LIGO团队向全世界宣布，成功探测到来自两个黑洞合并的引力波信号。雷纳·韦斯是当时参与新闻发布会宣布上述消息的四位科学家之一。韦斯说：“此次引力波的发现，非常完美地印证了爱因斯坦在100年前的预言。如果现在我们有机会告诉他，今天我们已经找到了他曾经认为人类永远也不可能探测到的宇宙引力波，我真想看看他脸上突然闪现的那种惊喜的表情。”韦斯还感慨道：“爱因斯坦是对的，这是多么了不起的洞察力和直觉。”

尽管经过长途跋涉，到达地球时引力波信号已极其微弱，但足以有希望掀起一场天体物理学的革命。“引力波是人类观测宇宙中最剧烈事件（黑洞融合）的全新方法，也是检验人类知识极限的新途径。”哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡认为，人类在捕捉到引力波以前的天文学发现，都好似“眼睛”，而引力波的发现则意味着人类从此长了“耳朵”。他表示，引力波本身携带了大量可资研究的信息，它的发现会帮助科研人员进一步探究黑洞的奥秘。endprint

就在媒体纷纷为雷纳·韦斯等人的发现报道的时候，不少人注意到，为了探测到引力波，在长期研究过程中，雷纳·韦斯教授付出了顽强和不懈的努力。实际上，当韦斯获知引力波终于被探测的消息时，第一反应并不是欣喜若狂，而是长出了一口气：“用激光干涉测量引力波的方案是我一手策划的，万一在哪里出了什么差错，就是上千人，上十亿美元跟着我瞎折腾了一回啊！”

20世纪90年代初期，当美国国家自然科学基金投重金开工建造LIGO的时候，与之相伴而来的是不停的质疑声音，不少人怀疑，“这么多经费投入进去，究竟能否获得科学上的成功·”“LIGO项目使用巨大的激光干涉仪，在引力波通过地球时，要探测到比原子核还要小很多的变化，这的确有点匪夷所思！”在一片反对声中，1993年，美国自然科学基金甚至一度暂停了原计划的4300万美元的巨额投资。

1994年，科学家巴里接手LIGO时，LIGO项目由于内部离心而岌岌可危。然而，这一切都不能动摇雷纳·韦斯对于探测宇宙引力波的信心。雷纳·韦斯和基普·索恩都坚信，引力波可以被检测出来，并终将带来一场人类对宇宙认识的革命。

雷纳·韦斯等人的努力和坚守，终于有了2015年引力波的首度被发现。

2016年9月27日，邵逸夫天文学奖授予雷纳·韦斯与罗奈尔特·德雷弗、基普·索恩，以表彰他们“对LIGO的构思和设计”。2017年10月3日，雷纳·韦斯教授摘取2017年度诺贝尔物理学奖。

学界普遍认为，LIGO直接观测到引力波，为天文探索开创了一个新方法，而它首先检测到引力波存在这一伟大事实，不仅开启了人类探索宇宙的一扇大门，而且有可能进一步揭开宇宙诞生早期的奥秘。诺贝尔物理学奖评选委员会成员安德斯·伊勒贝克说，引力波为人类探索宇宙提供了全新的观察方法，未来可能会有更多新的发现。“到目前為止，各种各样的电磁辐射和粒子——例如宇宙射线或中微子——都已经被用来探索宇宙。然而，引力波直接证明了时空自身的扰动。这是完全崭新而且不同的东西，打开了以往无法看到的世界。”

当获知自己获得诺贝尔奖的消息时，韦斯说：“猛然之间，我感到一种巨大的解脱，内心产生了一种莫名的喜悦，仔细想来，那事实上更多的是一种解脱。”“长时期以来，我隐隐感到，有一只猴子坐在我的肩上，这种感觉已经长达40余年。”“这只猴子一直在我耳边，不停地唠叨，说：‘嗯，难道说这真的能够取得成功？不要幻想了。请你清醒一下吧！你已经把一大堆人拉了进来，如果它是错误的呢？突然，这只猴子跳走了，对我而言，这的的确确是一种巨大的解脱。”endprint