专访：麻省理工学院荣誉教授雷纳•韦斯

文/麻省理工科技评论

美国国家科学基金会新闻发布会上，科学家们为探测到引力波而欢呼。从左到右分别为：加布里娜·冈萨雷斯（Gabriela González）、雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip Thorne）

麻省理工学院、加州理工学院，与来自全球各地的科学家们一道，通过LIGO，首次直接探测到了抵达地球的引力波。LIGO全称为“激光干涉引力波天文台”（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)。

LIGO系统由两个相距1865英里，且完全相同的探测器组成。每个探测器包含由两个长度为4公里的真空管，布置成L形，科学家们通过真空管来发射激光束。每束激光到达真空管末端后，会被镜面反射，并沿相反路线返回。在同等条件下，两束激光应该在完全相同的时间抵达源头，由于干涉，光线不会抵达光电探测器。然而，如果有引力波穿过探测器，根据爱因斯坦100年前的预测，会使两个真空管中的空间出现及其微小的拉伸与压缩，从而破坏了原有的完美平衡，使光线外泄到光电探测器上。

迄今为止，LIGO已涉及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位科学家。但很难想象，在四十年前，LIGO仅仅是麻省理工学院物理学教授雷纳·韦斯（Rainer Weiss）设计的一项课堂练习。

雷纳·韦斯（Rainer Weiss），1932年9月29日出生于德国柏林。麻省理工学院物理学教授，于1964年加入麻省理工学院。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。他在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出了重大贡献。

2016年2月，雷纳·韦斯教授与另外三位科学家联合出席了在华盛顿举行的美国国家科学基金会的新闻发布会，正式向全世界宣布已与2015年9月探测到引力波。其他三位科学家分别为大卫·瑞兹（David Reitze）（LIGO执行主任）、加布里娜·冈萨雷斯（Gabriela González）（LIGO科学合作组织发言人）、基普·索恩（Kip Thorne）（加州理工学院教授、LIGO联合创始人）。

麻省理工学院新闻办公室对韦斯教授进行了专访，他讲述了LIGO的历史，以及他们如何用了四十年时间去证明爱因斯坦是正确的。

雷纳·韦斯（Rainer Weiss）

Q：LIGO从何而来？

A：故事从1967年始于麻省理工学院，当时物理学教务主任要求我设计一门广义相对论课程。当时，广义相对论已被纳入数学系的研究领域。虽然是引力理论，但绝大多数人也认为它与物理学没什么关系。这主要是因为爱因斯坦理论预测的可观测效应本来就是无限小的，这很难用实验物理学去验证。

爱因斯坦曾看着他的引力公式说道：“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。”当你回想1916年的技术条件时，他可能是正确的。

过去100年发生了一些大事，天文学的发现表明，人们在1916年所掌握的有关紧密压缩源、无限密度方面知识是非常有限的，比如中子星和黑洞。但现在，我们拥有各种技术去做精确测量。从激光、微波激射器、精密电子仪器、计算机，到大批的科研人员，这些都是那个年代所不敢想象的。

所以，当我们准备开始寻找引力波时，人类已经在技术和知识方面做好了准备。

20世纪60年代，马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）认为，寻找引力波需要的技术条件可能已经具备，并发明了一种探测方法。他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。

这是寻找引力波的第一个实践，韦伯当时也宣称发现了引力波。

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当时在做什么，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。

这就是我当时的窘境。我在想，用什么方式才能够最简单的向学生展示引力波的影响。

当时对我而言很显然的方案是：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。但大原则是没有问题的。

此后，我没有就此事再做更深入的考虑，直到一年后，我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。

一个夏天，我坐在被称为“胶合板宫殿”、位于瓦萨大街（Vassar Street）20号楼的一个小房间内，花了一整个夏天研究我向学生们提出的想法，我想到了激光，我们是否真能用它来探测引力波？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！

Q：从理论到物理实践，您是如何做到的？

A：我们那时一直在电子研究实验室（The Research Laboratory of Electronics，RLE），使用军方资金制造1.5米长的原型探测器，进度还不错。但由于越南战争和《曼斯菲尔的修正案》，我们突然失去了所有的科研经费。在RLE管理层眼中，研究重力与宇宙学不是军方所关心的，资金被划拨到更实际的物理研究领域。因此，我第一次向其他政府和私营机构申请资助，以继续我们的研究。

当时，没有人认真从事引力波干涉的研究，虽然后来我也得知，某些人也有过此想法。位于德国加尔兴的马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的一个小组刚刚制造了一个“韦伯棒”。他们与意大利人合作，并发现韦伯是错误的。这可能是70年代中期关于引力波最有价值的研究了。

正当他们在考虑下一步该做些什么的时候，就被美国国家科学基金会（National Science Foundation）邀请去审议我的提案。他们当时的想法和世界上其他从事该领域研究的小组类似：如何通过无限接近绝对零度来制造更好的“韦伯棒”。看到我的提案后，他们决定改变思路，并打电话给我询问是否有对1.5米原型机比较了解的学生能去他们那里工作。（他们打电话给我的时候，我确实没有合适人选。但后来，大卫·舒梅克（David Shoemaker）加入了加尔兴团队，他参与了麻省理工学院原型探测器的研发。）随后，他们果真造出了能正常工作的3米原型探测器，真是好样的！

再后来，他们成功制造了30米原型探测器。到我拿到国家科学基金的资助，并重新开始研究工作时，德国团队已经解决了绝大部分的技术问题，而且证明了我当初的计算是准确且行之有效的。他们还在我的理念上加入了一些新元素，进一步优化了这个系统。

1975年是非常关键的一年：因为我当时也在做由NASA资助的宇宙背景辐射研究，NASA要求我组织一个宇宙学和相对论领域空间研究应用方面的委员会。对我来说，该委员会的最大好处是让我结识了基普·索恩（Kip Thorne）（加州理工物理学家），我曾邀请他来参加委员会听证。

在一个炎热的夏夜，华盛顿街头游人如织，我去机场接了基普。因为他没订酒店，我便让他住我的房间。基普在加州理工建立了一只顶尖的引力理论研究组，并已开始着手建立引力实验研究组。我们摊开一大张纸，在上面写下了新的引力研究组能做的一切实验。我向他介绍了自己的研究进展，基普当即表示很有兴趣合作。这次谈话后，麻省理工学院和加州理工学院正式联手，于是便有了后来的LIGO。

Q：这是一个雄心勃勃的愿景，无疑也是一个漫长而复杂的过程。是怎样一些关键时刻推动了项目继续前进？

A：在上世纪70年代后期，包括现在的皮特·索尔森（Peter Saulson）和保罗·林赛（Paul Linsay）在内的麻省理工学院小组，与产业合作做了一项研究，确定建设一个大型的、数公里规模的引力波干涉探测器选址的可能性。这项研究包括：如何建造一个大型的真空系统；考虑如何确定成本的比例法则；考察了可能的建设5到10公里长度L形结构的物理选址，做到最小的土地移动；还有所需的的光学与光源的条件。

我们仔细查看了各种可能的引力波源，以及世界不同实验室所开发原型干涉测量方案的原型，所有这些信息被放进了一份称为蓝书（Blue Book）的报告中，并在1983年提交给了国家科学基金会。来自加州理工学院和麻省理工学院的科学家共同做了“蓝书”里面涉及内容的报告，以及原型研究的若干成果。

我们提出的方案是，让探测器系统的灵敏度足够高，能够从天体物理源中探测到引力波（但不只是一个新的原型）。这个方案建议建造两个探测器：你不可能靠一个探测器完成这项科学研究，而必须有两个独立的探测器，必须有同样的敏感度，并且能够运行足够长的时间。

这在后来变成了一场真正的争论。你想坚持这些想法，但有人很快提出质疑：为什么不建一个足够长的呢？为什么要花这么长时间呢？但所有这些质疑都被否定了，我们坚持了下来，否则早就失败了，我们今天也不会在这里。我们从委员会获得了认可：这是一项有风险，但可能产生卓越成果的研究，值得国家科学基金会考虑进行立项。

到了80年代中期，美国国家科学基金会一直在尝试怎么启动这个项目。在1986年，一件有趣的事情发生了，终于打破了僵局。

理查德·加尔文（Richard Garwin）曾与恩里科·费米（Enrico Fermi）（1938诺贝尔物理学奖获得者）一道工作，并就职于美国能源部，他参与完成了第一颗氢弹的计算和开发，并曾担任IBM首席科学家。他读过关于韦伯实验的资料，并决定与他在IBM的一个同事建造一个小型的谐振条，但比韦伯建造的更加精巧，但他什么也没探测到。

那时，美国国家科学基金会正在推广这个大型的引力波项目。加尔文得到消息，他认为他是个过来人。他在给美国国家科学基金会的信中写到，“如果你准备坚持做这个项目，你最好做一下真正的相关研究。”

所以，我们在位于波士顿剑桥的美国艺术科学研究院（The American Academy of Arts and Sciences）进行了一场研讨会。这场研讨持续了一周时间，高水准会议委员会由顶级科学家构成，最后会议委员会提出建议令人难以置信的积极：项目绝对是值得做的，但不要将原计划切分成在一个时间点弄一个探测器，需要有完整长度的探测器，不要再造原型。委员会还建议，在项目管理体系中必须有一个调整，即只设置一个主管主任，而不再由一个管理小组领导，而这正是我们管理项目的方法。

到了1989年，我们在罗克斯·沃格特（Rochus Vogt）（前加州理工学院教务长）的指导下写了另一个方案，这几乎花了我们六个月的时间来完成，但这无疑是份杰作。这项方案提议要建两个4公里长的干涉探测器。

第一个基于已经比较成熟的相关研究，借鉴了前面的原型，其敏感性为探测提供了一个非常合理的机会。第二台探测器是基于比较先进的理念，当时尚未完全测试，但具备很好的潜力能够探测到引力波。这一提案获得了国家科学委员会的支持，资金开始大量流入。

截止上世纪90年代，剩下的历史过程变得容易起来。现在，在巴里·巴里希（Barry Barish）（加州理工学院物理学教授）的领导下，新址正在建设和开发，我们建造了新的真空系统，并开始运行第一台探测器。

到2010年，我们在敏感度方面已经取得了巨大的进展，但并没有探测到什么。那真是什么都没有，探测器根据设计方案已经在运行，但我们没有探测到任何异常可以解释为引力波。但基于我们已经达到了预期的探测灵敏度，并根据科学原理确定了一些有趣的可能探测源的引力波强度上限，我们获得了新的资金可以开始建设更为先进的LIGO。

Q：这一发现对你有多重要？

A：从某种角度看，这一发现实现了工作在这个项目上很多人的抱负，这已经很重要了。这是我们所有人都想看到的引力波信号，因为我们知道它是存在的，只是从未有过真正的证明，它是爱因斯坦方程中从未被观察到的界限——在强引力领域和高速度限制中的空间几何力学的展现。

对我而言，这是一个有着复杂历史事件的收尾。广义相对论的场方程及其历史一直以来都是很复杂。突然间，我们有了一些可以抓住的东西，并可以说：“爱因斯坦是对的，这是多么了不起的洞察力和直觉。”

我感到一种巨大的解脱和喜悦，但其实更多是解脱。一直以来，有一只猴子坐在我的肩上长达40年，他一直在我耳边唠叨，说：“嗯，你怎么知道这真的能够成功吗？你已经把一大堆人拉了进来，但如果它是错误的呢？“突然，他跳走了，这实在是巨大的解脱。