LIGO之无名英雄

2017-11-10编译

世界科学 2017年11期

凌寒/编译

LIGO之无名英雄

凌寒/编译

每年10月，诺贝尔奖的宣布都会引起一些争议。今年的物理学奖相比其他奖项争议较少。三名获奖者：基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）来自加州理工学院，雷纳·韦斯（Rainer Weiss）来自麻省理工学院，因为他们在项目的成功中所发挥的作用而获得了普遍赞誉。

然而，在现今这种“大科学”广泛合作的趋势下，这一奖项仍然凸显了从许多研究人员中挑选出寥寥几人的难度。LIGO协作团队使用了两台巨大的激光干涉仪来监听因宇宙中一些灾难性事件造成的时空扭曲。物理学家在2015年9月发现了第一波引力波，这一引力波被解释为由两个黑洞在10亿年前碰撞产生。此项研究形成的论文发表于2016年2月，该篇论文有着令人难以置信的1 004名作者。

其中一些作者是LIGO实验室的成员，Caltech–MIT联盟管理着LIGO放置在路易斯安那州和华盛顿州的两个激光干涉仪。但这份作者名单还包括更广泛的LIGO科学合作:来自18个国家的研究人员，其中一些（如来自于德国和英国的研究人员）对探测器做出了重要贡献。

然而，更多的作者来自于LIGO的姐妹机构：处女座（Virgo）引力波团队，该团队由法国和意大利领导，该团队在意大利的比萨市附近架设了Virgo干涉仪。这两项实验将他们的数据汇集在一起，共同进行分析。自从韦斯于1972年首次详细介绍了如何搭建激光干涉仪后，就有无数在那篇论文上未获署名的人也参与了LIGO的设计、开发、建设和维护。

为了纪念引力波发现过程中的众多无名英雄，《自然》杂志收集了若干关于这些无名英雄的褒奖。与诺贝尔奖一样，这份名单也不可避免地非常不完整。

1.先驱者：约瑟夫·韦伯美国的研究人员使用了两种探测器，当他们宣布发现了引力波时，世界为之震惊。那一年是1969年，使用的探测器也不是LIGO，而是由马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）制造的1吨的铝质圆柱体。虽然他的主张后来被证明是无效的，但许多物理学家仍然相信正是韦伯创建了这个领域。“约瑟夫·韦伯确实在1957年就开始考虑如何探测到引力波。”韦伯的遗孀、天体物理学家维吉尼娅·特里波（Virginia Trimble）在一封电子邮件中告诉《自然》杂志。在当时，许多研究人员甚至不确定引力波是否存在。20世纪60年代，韦伯也是第一批考虑使用干涉仪来探测引力波的可能性的研究者之一。

2.德国联络者：海因茨·比林德国LIGO的创始人海因茨·比林（Heinz Billing）是位于慕尼黑附近的马克斯·普朗克天体物理研究所的物理学家。他在1975年首次听说了韦斯那独具开创性的干涉设计方案，当时邀请他对韦斯向美国国家科学基金会提出的申请进行审查，该申请旨在资助麻省理工学院搭建干涉仪原型机。比林和他的团队实在太喜欢这个设计了，他们甚至开始自己搭建干涉仪。“来自于慕尼黑的这个团队迅速发明了一些最为重要的组件，这使得探测器的搭建成为可能。”卡斯滕·丹茨曼（Karsten Danzmann）说道，他是德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所的主任。尤其值得一提的是，比林提出了一种稳定激光的方法，这种方法后来用在德国汉诺威附近的英-德GEO600干涉仪和LIGO中。如今，GEO600仍然是连续几轮的LIGO技术升级的关键测试和开发中心。丹茨曼说:“在LIGO中有着GEO的很多身影。”比林于2017年1月4日去世，享年102岁，他也是磁数据存储的先驱。

3.激光专家：阿拉因·布里利特20世纪80年代是引力波探测器研究和发展的高产年代。在干涉仪研究中有着丰富经验的光学物理学家阿拉因·布里利特（Alain Brillet）看到了可以做出贡献的机遇。他后来在法国奥尔赛的巴黎第十一大学供职。“我决定从光学零件、激光和光学部分做起，因为这是我的专长。”他说道。布里利特继而共同创立了处女座引力波团队。但麻省理工学院的物理学家大卫·舒马赫（David Shoemaker）说，他的许多想法——尤其是关于能给出最稳定信号的激光类型的想法——都在LIGO和其他干涉仪中实现了。大卫·舒马赫曾在奥尔赛与布里利特共事，他现在是LIGO的发言人。

4.促进者：理查德·艾萨克森引力理论学家理查德·艾萨克森（Richard Isaacson）于1973年前往华盛顿特区，在美国国家科学基金会(NSF)工作，他原以为自己只是作为其中一个短期项目的主管。在工作交接期间，他的前任建议他注意一个叫作雷纳·韦斯的“有趣家伙”。艾萨克森帮助韦斯获得了他在1975年搭建原型机时的一笔小型资助，后来成为LIGO在政府内部的主要倡导者。尽管成功的前景渺茫，但他在项目获得数亿美元的资助上帮了大忙。这是美国国家科学基金会第一次管理大型项目。像粒子加速器这样的美国设施传统意义上属于能源部的管理范围，能源部的现场办公室有许多专家。艾萨克森自己做了10多年，到了20世纪90年代初，他付出了高昂的个人代价。“最终，我的健康状况一塌糊涂，我的婚姻也很糟糕。”艾萨克森说道。到2001年他退休的时候，LIGO的建设已经完成。

5.第一任主管：罗切斯·沃格特在巴里·巴里什接管LIGO之前，另一名主管已在该合作团队留下了自己的身影，这个人就是罗切斯·沃格特（Rochus‘Robbie’Vogt）。这位加州理工学院的物理学家是美国宇航局“航行者”号探测任务的一员老将，他于1987年接管了LIGO。在此之前，这个项目由富有远见的创始人“三剑客”——索恩、韦斯和物理学家罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）领导，其中罗纳德·德雷弗在搬往加州理工学院之前，曾在格拉斯哥大学开始了他在英国的引力波研究。但是管理大型组织机构并不是他们的强项。“感谢上帝这事儿可算结束了，”韦斯在去年的国家科学基金会总部的一次演讲中回忆道。“跟三个古里古怪的人在一起是没法搞好管理工作的。”沃格特曾被人描述为：更高、更瘦版本的亨利·基辛格（Henry Kissinger），他的声音洪亮、作风强硬，很难讨得大家喜欢。但是，他能将国家科学基金会资助的主要要求进行综合，索恩在10月5日的新闻发布会上说，“为推进LIGO的建设奠定了基础。”

6.理论家：亚历山大·波南诺正如索恩早期所意识到的，在未来的引力波天文学领域，仅仅收集数据是不够的；研究人员还需要知道要寻找的是什么样的信号。但是，从爱因斯坦广义相对论的方程中提出定量预测非常困难。理论物理学家亚历山大·波南诺（Alessandra Buonanno）已经在她的工作中发明了计算螺旋物体的近似轨道以及它们所产生的引力波的公式。该工作完成于巴黎附近的高级科学研究所，部分工作是与她的博士导师蒂博·达穆尔（Thibault Damour）共同完成的。LIGO和Virgo引力波团队的合作中使用了成千上万的这些波形的数据库，来实时地在他们的数据中搜寻引力波。博南诺现任波茨坦马克斯·普朗克引力物理研究所主任，也是LIGO科学合作的高级成员。