Rainer Weiss：引力波探測的50年
北京大學 樑迪聰 、邵立晶 編譯自Sidney Perkowitz. Physics World，2022，(11)：35
本文選自《物理》2022年第12期
作爲構思和實現歷史上最大實驗之一的核心的實驗物理學家，諾貝爾獎獲得者Rainer Weiss通往成功的路徑是不同尋常的。
2015年，在愛因斯坦提出廣義相對論一百年後，位於美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)首次探測到引力波，證實了廣義相對論的最後一個預言。2017年，Rainer Weiss由於對LIGO探測器與引力波探測的決定性貢獻，與Barry Barish和Kip Thorne共享了諾貝爾物理學獎。
圖1 LIGO 背後的人。麻省理工學院 LIGO 團隊成員(從左到右)：David Shoemaker，Rainer Weiss，Matthew Evans，Erotokritos Katsavounidis，Nergis Mavalvala和Peter Fritschel
儘管愛因斯坦預言了引力波的存在，但由於引力波太微弱了，他本人一度懷疑其能否被探測到。Weiss利用激光干涉儀的想法非常具有突破性，使得引力波探測成爲可能。首例被探測到的引力波由距離地球13億光年的兩個黑洞併合產生。如今LIGO已經探測到了越來越多的引力波信號。這些探測建立在Weiss和很多科研工作者數十年的努力上。引力波的發現代表了物理學研究上的一個高峰，也引領了天文學的一個新時代。在觀測天文學中，我們首先通過可見光對宇宙進行了掃描，隨後拓展到了更寬頻率的電磁波。現在，引力波提供了一種新的方法來探測宇宙學現象。引力波天文學誕生7年以來，我們已經獲得了很多有價值的新認知。
從納粹德國經布拉格到美國
Weiss的成功道路展示了一位有天賦的實驗物理學家是怎麼煉成的，新的科學想法是怎麼從意料之外的方向到來的，以及一個大型物理實驗獲得成果是多麼需要堅韌不拔的精神。
1932年，Weiss出生於德國柏林，那時正是納粹開始掌權的時期。Weiss的父親是個猶太醫生，曾被納粹扣留，被釋放後逃往布拉格。Weiss出生後，母親就帶着他與父親在捷克斯洛伐克會合，並於1939年移民美國。
Weiss在紐約市長大，他從當地的難民救濟組織獲得獎學金，得以進入哥倫比亞語言學校學習。音樂、科學和歷史是Weiss最喜歡的科目。當他在少年時，就製造出了高保真度的音響系統。爲了完美地重現聲音，Weiss嘗試去掉唱頭針在劃過唱片凹槽時產生的背景噪聲，但他失敗了。所以他決定去上大學，通過學習去解決這個問題。1950年，他開始在麻省理工學院接受教育。
從電子學繞道到物理學
剛開始Weiss在麻省理工學院主修電子工程專業，但第二年就轉到了物理學專業。1952年Weiss愛上了一位年輕的女鋼琴家，但這段關係讓他心碎。Weiss所有的功課都不及格，不得不離開麻省理工學院。幸運的是，一切並沒有到此爲止。1953年春天他重返麻省理工學院，作爲原子束實驗室的技術員，在發明原子鐘的物理學家Zacharias的手下工作。Weiss完成了他的物理學本科學業，並在1962年獲得了博士學位。隨後，Weiss在普林斯頓大學的Robert Dicke手下做研究助理，希望用現代的技術去做厄特沃什(Eötvös)實驗，來檢驗慣性質量和引力質量的等價性。儘管這個研究沒有成功，但Weiss學到了Dicke那些領先的實驗技術，這對於後來的LIGO以及其他物理學實驗至關重要。1964年，Weiss作爲助理教授加入麻省理工學院，開始做一個宇宙學項目，測量宇宙微波背景的能譜。
在教室裡測量引力
Weiss一直在考慮着引力波，特別是他在麻省理工學院教廣義相對論期間。那時，馬里蘭大學的韋伯(Joseph Weber)嘗試通過大型鋁製共振棒的長度變化來探測引力波。當學生問起Weiss這個實驗時，他想到了一個思想實驗：在自由空間裡放置兩塊相隔很遠的物體，一個帶有激光，另一個帶有鏡子，通過測量激光的往返時間，可以得到距離。如果引力波改變了兩個物體間的距離，那麼足夠精準的測量就能展示這個效應。
Weber在1969年宣稱探測到了引力波，但實驗並未能得到重複。而Weiss則改進了原來的想法，加入了第二條路徑，與激光的第一條路徑成直角，構成邁克耳孫干涉儀。在廣義相對論中，當引力波垂直於干涉儀兩臂傳播時，兩臂會分別伸長和縮短。Weiss總結道，這相比於測光走單條路徑所需時間的方法要靈敏得多。
Weiss回想起1971年夏天，他是如何坐在一個小房間裡計算所有可能對實驗造成干擾的因素。他的研究顯示，如果幹涉儀臂長達到數公里，那麼就有可能探測到因引力波彎曲時空而引起的大約10-18 m的距離改變量，這是一個質子尺寸的千分之一。
首次探測的試驗牀
儘管Weiss的一些同事對引力波持懷疑態度，但他繼續發展他的想法。1975年，Weiss重新聯繫了加州理工學院的理論物理學家Kip Thorne。Thorne看到了引力波研究的潛力，在加州理工學院大力聲援Weiss。美國國家科學基金會在1979年資助了加州理工學院和麻省理工學院，以進行激光干涉測量的可行性研究；隨後在1990年支持了LIGO作爲兩校的合作項目，並給出了前所未有的一大筆經費。在華盛頓州的漢福德以及路易斯安那州的利文斯頓建造了兩個4 km長的探測器，這樣可以通過一致性研究來確認所發現的信號。這裡麪包含了很多由加州理工學院實驗物理學家R. Drever發展起來的技術理念。
圖2 從夢想到現實。Weiss 花費了長達 50 年的職業生涯來找到方法去確定時空結構中的漣漪，爲研究宇宙打開新的窗口，並迎接引力波天文學的到來
LIGO在2002年運行時，就達到了其預期的靈敏度，但在9年中，並沒有探測到引力波。隨後，設備進行了意義重大的改造，最終在五年後升級爲“高新LIGO”(aLIGO)。當靈敏度提高10倍後，aLIGO在2015年9月14日第一次探測到了引力波，它們來自於兩個併合的黑洞。兩年後，aLIGO首次探測到由雙中子星併合產生的引力波；位於意大利的Virgo引力波探測器也參與了該發現。到2021年末，aLIGO已經發布了90個由雙星併合產生的引力波事件，包括雙黑洞(佔大多數)、雙中子星、黑洞—中子星系統。
回顧與展望
當思考這7年的引力波天文學時，Weiss歡欣鼓舞。他說，“我認爲LIGO已經是個巨大的成功”，並盛讚LIGO在檢驗廣義相對論和研究黑洞天體物理時的重要作用。LIGO的結果表明，我們對黑洞的瞭解已經非常好，使得我們能夠預言兩個黑洞相互作用時的細節。
Weiss指出一個特別的引力波事件：2017年觀測到的雙中子星併合同時產生了從伽馬射線到無線電波的電磁波，被世界上的多個電磁探測器探測到。這首個“多信使”天文學的例子使得我們可以對其方位進行精確測量，展示了能夠產生金和鉑的機制，確認了引力波是以光速傳播的，並提供了一個新的方法來測量哈勃常數。
被問起引力波天文學的未來時，Weiss熱情高漲。他強烈支持下一代探測器“宇宙探索者”，其臂長將達到40 km，靈敏度是aLIGO的10倍。同時，歐洲科學家們在考慮三角構型的10 km臂長的“愛因斯坦望遠鏡”，歐洲宇航局正在建造發射三角構型的激光干涉空間天線(LISA)。
每個探測器會對不同頻段的引力波做出響應，就像天文學上利用不同頻段的電磁波來研究天體現象一樣，我們利用不同引力波探測器去觀測不同類型的引力波事件。這些未來的探測器最讓Weiss興奮的地方在於它們可以做大科學，把整個領域帶向宇宙學，也就是研究整個宇宙。
就像他那漫長的職業生涯以及研究反映的那樣，Weiss並不希望只是簡單地把事情加起來。他那長達數十年的對成功建立LIGO的奉獻，對未來前沿引力波科學的嗅覺，以及那感染人的熱情，已經雄辯地說明了所有他需要說的東西。
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