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2016年12月4日，LIGO團(tuán)隊(duì)代表出席接受科學(xué)突破獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)。左起依次是基普·索恩（Kip Thorne）、雷納·韋斯（Rainer Weiss）和羅納德·德雷福（Ronald Drever）的家人

撰文 | 胡一鳴（德國(guó)馬普引力物理所、清華大學(xué)博士后，LIGO科學(xué)合作組織成員）

責(zé)編 | 陳曉雪

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13億年前，兩個(gè)黑洞并合，其攪動(dòng)時(shí)空產(chǎn)生的引力波信號(hào)開(kāi)始了漫漫的星際旅途；2015年9月14日，剛剛升級(jí)完畢的激光干涉引力波探測(cè)器（LIGO）捕捉到了這個(gè)信號(hào)，并將之命名為GW150914。這標(biāo)志著一個(gè)新紀(jì)元的開(kāi)始：人類(lèi)利用引力波這一全新的手段認(rèn)識(shí)宇宙的時(shí)代終于到來(lái)。

2016年2月11日，LIGO負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布，LIGO發(fā)現(xiàn)了引力波。視頻來(lái)源：LIGO新聞發(fā)布會(huì)直播

在作出第一個(gè)發(fā)現(xiàn)之后，LIGO的觀(guān)測(cè)也是捷報(bào)頻傳，今年六月又報(bào)告了另一個(gè)確鑿無(wú)疑的GW151226信號(hào)和一個(gè)潛在的信號(hào)LVT151012，一連串的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了人類(lèi)鼓舞了我們探索宇宙的信心。

這次代表LIGO領(lǐng)取科學(xué)突破獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)的，是LIGO的三位重要成員，也是LIGO早期的發(fā)起人。其中，基普·索恩（Kip Thorne）是引力領(lǐng)域首屈一指的大牛，他在研究了多年的引力波理論后意識(shí)到引力波探測(cè)的重要性，并開(kāi)始探尋實(shí)驗(yàn)測(cè)量引力波的途徑；20世紀(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）宣布探測(cè)到引力波，引起了全球極大的興趣，激光專(zhuān)家雷納·韋斯受此啟發(fā)，開(kāi)始尋找通過(guò)激光干涉的方法探測(cè)引力波的方法，并且與索恩一起最終提出了LIGO這么一個(gè)項(xiàng)目；韋伯的引力波“探測(cè)”結(jié)果同時(shí)還刺激了位于蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)的一對(duì)師生羅納德·德雷福和詹姆斯·霍夫（James Hough），他們很快投身到引力波探測(cè)的實(shí)驗(yàn)中去，并很快在這個(gè)領(lǐng)域聲名鵲起。在加州理工和麻省理工共同申請(qǐng)的LIGO項(xiàng)目申請(qǐng)時(shí)，加州理工面臨的最大問(wèn)題是，索恩是一個(gè)理論學(xué)家，并不做實(shí)驗(yàn)，所以加州理工需要更換一個(gè)在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域更有經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)。因此，德雷福被挖角至加州理工，并且承擔(dān)了LIGO最早期的項(xiàng)目建設(shè)。

LIGO探測(cè)到引力波迎來(lái)了鋪天蓋地的新聞曝光，基普·索恩這個(gè)名字即便不是家喻戶(hù)曉，也是被很多人所了解。然而，實(shí)際上對(duì)于專(zhuān)研引力的科學(xué)家而言，和這個(gè)名字相對(duì)應(yīng)的是一個(gè)不羈放縱愛(ài)自由的一生：被譽(yù)為“引力圣經(jīng)”的《引力》（Gravitation）》一書(shū)就是他與他的老師約翰·惠勒（John Wheeler）、師兄查爾斯·米斯納（Charles W. Misner）合著而成；在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，索恩都是引力領(lǐng)域的執(zhí)牛耳者；他是霍金的答辯委員會(huì)成員，也是霍金著名賭約的對(duì)賭者；他提出了蟲(chóng)洞的概念，以科學(xué)的方法探討時(shí)空穿越的可能；他奠定了LIGO創(chuàng)立的基石，從而捕捉到了引力波信號(hào)……

索恩出生在一個(gè)書(shū)香門(mén)第，父母均為猶他州立大學(xué)的教授，索恩等五個(gè)孩子中有三個(gè)都走上了學(xué)術(shù)道路，成為了教授。在這樣的家庭氛圍下，索恩的學(xué)術(shù)才華迅速展現(xiàn)，成為了加州理工歷史上最年輕的教授之一， 27歲成為加州理工助理教授、30歲的年紀(jì)升至正教授，以至于培養(yǎng)的第一個(gè)博士比他年紀(jì)還大。

索恩的研究生涯適逢黑洞天文學(xué)觀(guān)測(cè)的黃金時(shí)期，他和霍金都對(duì)黑洞物理學(xué)的發(fā)展做出了巨大的發(fā)展。當(dāng)對(duì)天鵝座X1的初步觀(guān)測(cè)支持它真的是一個(gè)黑洞時(shí)，兩人采取了兩個(gè)截然不同的態(tài)度：霍金太希望這個(gè)天體是真實(shí)的黑洞了，所以他簽訂了一個(gè)賭約：他選擇押注天鵝座X1不是黑洞，這樣，一旦輸了賭約，他會(huì)因?yàn)楹诙吹陌l(fā)現(xiàn)而高興；萬(wàn)一贏(yíng)了賭約，在科學(xué)上遇到挫折時(shí)至少還有賭金的獲利可以聊以補(bǔ)償；而一向樂(lè)觀(guān)的索恩則賭天鵝座X1為黑洞。結(jié)果大家現(xiàn)在都知道了，索恩最終贏(yíng)了這場(chǎng)著名的賭約。

索恩另一個(gè)關(guān)于科學(xué)的有趣賭約發(fā)生在LIGO早期運(yùn)行的過(guò)程中。當(dāng)時(shí)LIGO為了測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)一個(gè)內(nèi)部小組秘密注入了一個(gè)人工的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的方向大致來(lái)自大犬座方向，因此被稱(chēng)為“大犬”事件。由于各種各樣的問(wèn)題，大家都懷疑這個(gè)信號(hào)是人工注入的，而索恩貫徹了他一貫的樂(lè)觀(guān)，在與他的一個(gè)學(xué)生的對(duì)賭中選擇了相信大犬事件來(lái)自太空，而筆者有幸見(jiàn)過(guò)他這場(chǎng)輸了的、并不太為人所知的賭約。

索恩同時(shí)還對(duì)科普抱有巨大的熱情，除了自己寫(xiě)書(shū)科普與黑洞相關(guān)的科學(xué)知識(shí)以外，他和著名的科普、科幻大師卡爾·薩根（Carl Sagan）保持著極好的私交。當(dāng)年薩根寫(xiě)作科幻小說(shuō)《超時(shí)空接觸》（Contact）時(shí)曾向索恩求助，有什么辦法可以讓主人公在極短的時(shí)間內(nèi)穿越極遠(yuǎn)的距離。一開(kāi)始薩根的設(shè)定是穿越黑洞，索恩在拿到這個(gè)問(wèn)題后仔細(xì)思索，并給出了五十頁(yè)寫(xiě)滿(mǎn)公式的草稿，“一言以蔽之，曰蟲(chóng)洞”。

在《超時(shí)空接觸》被好萊塢搬上銀幕以后，索恩意猶未盡，他聯(lián)系了斯皮爾伯格，之后由于種種原因合作失敗，轉(zhuǎn)而找到了后起之秀克里斯·諾蘭（Chris Nolan），合力打造一部科學(xué)上準(zhǔn)確的與黑洞、時(shí)空穿越有關(guān)的硬科幻，這才有了《星際穿越》（Interstellar）的橫空出世。細(xì)數(shù)風(fēng)流人物，能同時(shí)在獲得諾獎(jiǎng)和獲得奧斯卡獎(jiǎng)項(xiàng)的工作中起到核心作用的，出了索恩大概也是沒(méi)誰(shuí)了。

雷納·韋斯（Rainer Weiss），激光專(zhuān)家。來(lái)源：MIT News

雷納·韋斯出生在二戰(zhàn)前的柏林，他的媽媽是一個(gè)演員，而他的爸爸則是一個(gè)醫(yī)生。因?yàn)楠q太血統(tǒng)，一家人在納粹勢(shì)力上升時(shí)逃離了德國(guó)，并輾轉(zhuǎn)來(lái)到了美國(guó)的紐約市。

韋斯的科研生涯起源于他少年時(shí)期裝配收音機(jī)的經(jīng)歷。二戰(zhàn)結(jié)束以后，變壓器、真空管之類(lèi)的軍需物資供過(guò)于求，尤其在紐約市中心滿(mǎn)大街都是這些物資，只要誰(shuí)有興趣、有力氣都可以搬回家。有一次，他家附近的一個(gè)劇院著火，讓韋斯有幸獲得了一個(gè)免費(fèi)的大功率公放。年少的韋斯靠著七拼八湊的器件組裝了一些效果極佳的無(wú)線(xiàn)電收音機(jī)和高保真音響，周?chē)莫q太難民都慕名而來(lái)，圍著收音機(jī)收聽(tīng)紐約交響樂(lè)團(tuán)的演奏。韋斯甚至開(kāi)玩笑說(shuō)，如果他沒(méi)有去從事科學(xué)研究，也許可以靠著搭收音機(jī)大賺一筆。然而，早期的黑膠唱片會(huì)在他自制的留聲機(jī)上發(fā)出刺耳的刮擦聲，如何去除那種難聽(tīng)的噪聲？這個(gè)問(wèn)題一直讓他百思不得其解，最終驅(qū)使他進(jìn)入麻省理工，并步入科研的道路。

韋斯不僅在引力波方面為天文學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn)，他還是宇宙微波背景輻射熱譜測(cè)量方面的專(zhuān)家，2006年贏(yíng)得諾貝爾獎(jiǎng)的COBE項(xiàng)目，他就是當(dāng)時(shí)科學(xué)工作組的主席。當(dāng)然，他最為人熟知的工作還是開(kāi)創(chuàng)性地利用激光干涉的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)引力波的測(cè)量。要測(cè)量像GW150914這樣的引力波，需要精確地測(cè)量10^-17 米的距離變化，或者說(shuō)，一個(gè)質(zhì)子直徑的百分之一。傳統(tǒng)的激光干涉可以將位置測(cè)量精確至光波的波長(zhǎng)，也就是10^-6米，這剩下的11個(gè)量級(jí)，就需要韋斯設(shè)想的新方法，加上許多新的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

正是預(yù)見(jiàn)到了這樣測(cè)量的困難，愛(ài)因斯坦在預(yù)測(cè)引力波的存在之后就悲觀(guān)地認(rèn)為這樣的信號(hào)不可能被探測(cè)到。然而，韋伯聲稱(chēng)利用他的韋伯棒探測(cè)到了引力波信號(hào)，這個(gè)消息在上世紀(jì)六七十年代激發(fā)了廣大實(shí)驗(yàn)物理的專(zhuān)家對(duì)于引力波探測(cè)的熱情。韋斯并不理解韋伯棒的具體原理，但是他在教授光學(xué)課程時(shí)意識(shí)到，激光干涉——這一高精度測(cè)距最常用的手段——也許可以用來(lái)構(gòu)造引力波探測(cè)器。

這個(gè)想法催生了LIGO這個(gè)耗資數(shù)億美元的項(xiàng)目。今年六月，筆者有幸和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委的委員以及韋斯一起參加過(guò)一次學(xué)術(shù)會(huì)議，他們一同回顧過(guò)LIGO的歷史。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委的委員說(shuō)，我們之所以給LIGO這么多錢(qián)，并不是一下子就決定資助你們這幾億美元，而是因?yàn)槟銈冇兄鷮?shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，每一次都提出了切?shí)可行的科學(xué)目標(biāo)，而你們每一次都能按時(shí)完成你承諾的進(jìn)展，讓我們對(duì)你們的這個(gè)項(xiàng)目有足夠的信心。

羅納德·德雷福（Ronald Drever），1972年。來(lái)源：James Hough

同索恩一樣，羅納德·德雷福也出生于書(shū)香門(mén)第，他的叔叔、侄子都是教授，而他的兄弟也擁有博士頭銜。少年時(shí)期的羅納德·德雷福和韋斯一樣，有著極強(qiáng)的變廢為寶的能力，為了讓家人可以觀(guān)看英國(guó)女王伊麗莎白二世在1952年的加冕典禮，他用各種零件七拼八湊搭出一臺(tái)電視機(jī)。

他的早期研究包括利用光譜觀(guān)測(cè)研究時(shí)空的各向異性。這種觀(guān)測(cè)的零結(jié)果以極高的精度驗(yàn)證了狹義和廣義相對(duì)論。當(dāng)韋伯的引力波“探測(cè)”結(jié)果傳來(lái)時(shí)，它不光引發(fā)了韋斯對(duì)于激光干涉的創(chuàng)意，同時(shí)還刺激了位于蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)的這對(duì)師生：羅納德·德雷福和詹姆斯·霍夫。他們著手建造了靈敏度較韋伯棒更高的棒狀探測(cè)器，在仔細(xì)分析了他們的數(shù)據(jù)后他們得出了沒(méi)有探測(cè)結(jié)果的結(jié)論，從此確認(rèn)韋伯的所謂觀(guān)測(cè)結(jié)果應(yīng)該來(lái)自環(huán)境噪音。如今他們建造的探測(cè)器依舊陳列在格拉斯哥大學(xué)物理系的展示臺(tái)，和開(kāi)爾文勛爵的文物一起成為了該系的鎮(zhèn)系之寶。

20世紀(jì)70年代末，越來(lái)越多的人意識(shí)到激光干涉探測(cè)引力波有著更為廣闊的前景，各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都爭(zhēng)相申請(qǐng)搭建激光干涉引力波實(shí)驗(yàn)室。由于德雷福和霍夫在棒狀引力波探測(cè)器上作出的突出成果，最終他們贏(yíng)得了英國(guó)科技基金委的資助，并設(shè)立起一個(gè)10米的原型機(jī)。今天，這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)演變成近百人的大組，尤其在懸掛減震、鍍膜和激光干涉等方面引領(lǐng)全球。

在加州理工和麻省理工聯(lián)合申請(qǐng)LIGO立項(xiàng)時(shí)，由于索恩在實(shí)驗(yàn)方面并不擅長(zhǎng)，他需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)家一同主導(dǎo)項(xiàng)目。索恩的第一人選其實(shí)是莫斯科國(guó)立大學(xué)的弗拉基米爾·布拉金斯基（Vladimir Braginsky，于今年3月去世），他們二人的合作可以追溯至上世紀(jì)六十年代。然而布拉金斯基并不想離開(kāi)蘇聯(lián)，于是索恩轉(zhuǎn)而向德雷福尋求幫助。很快，德福雷便在加州理工搭建起了一個(gè)40米的原型機(jī)，并加入了LIGO最高決策三人組。他在許多關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)上有著突出貢獻(xiàn)，特別是信號(hào)回收鏡的構(gòu)思，可以將靈敏度大大提高。

早期LIGO的運(yùn)行一直由德雷福，索恩和韋斯這個(gè)三人小組負(fù)責(zé)。然而，由于LIGO這樣的大型機(jī)構(gòu)必然不同于單打獨(dú)斗的小實(shí)驗(yàn)室，德雷福的理念與一些同事發(fā)生了沖突：他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)應(yīng)當(dāng)一步一個(gè)腳印，逐步完善；而另外一些科學(xué)家相信為了控制預(yù)算和時(shí)間，有時(shí)候哪怕系統(tǒng)并非十全十美，也應(yīng)該停止手頭的開(kāi)發(fā)。此后，LIGO的運(yùn)行一直由一個(gè)人主要負(fù)責(zé)。

可惜的是，84歲的德雷福盡管依然健在，卻已經(jīng)患上老年癡呆，由他的兄弟陪護(hù)在愛(ài)丁堡附近的一家養(yǎng)老院里。我當(dāng)然不能替任何人代言，但我斗膽猜測(cè)，包括最近去世的布拉金斯基，他們?cè)谟猩曜畲蟮男疫\(yùn)，也許就是能夠見(jiàn)證并親身投身到引力波探測(cè)這一劃時(shí)代的偉大探測(cè)。所有外界的一切，都比不上科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身帶來(lái)的美麗和震撼吧。