引力波探测:先驱者的悲剧

2018-07-06 作者:采集侠   |   浏览(200)

因为引力波非常微弱,当时的物理学家们普遍不看好引力波探测,但韦伯的尝试在当时几乎是唯一认真付诸行动的引力波探测。(资料图/图)

(本文首发于2017年7月6日《南方周末》)

如果说爱因斯坦是引力波理论的先驱,那么韦伯就是引力波探测的先驱。正如爱因斯坦会犯错误一样,韦伯在引力波探索史上也有一段曲折的故事。

约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)生于1919年,早年是学工程的。他不仅在探索引力波的历史上有过曲折,就连人生经历也充满了惊险,二战期间曾一度在航母上服役,先是躲过了日本对珍珠港的突袭,而后又在惨烈的珊瑚海海战中幸存(他所服役的航母在遭重创后自沉)。战后的韦伯开始研究物理,并于20世纪60年代开始建造一系列所谓的“韦伯棒”,用来探测引力波,成为最早将引力波探测付诸实施的物理学家。

“韦伯棒”

“韦伯棒”之所以能探测引力波,是因为引力波可以引发它的振动,若频率合适的话,还可引发共振,通过对共振信号的监测,“韦伯棒”原则上就具备了发现引力波的潜力。当然,实际的情形要复杂得多,“韦伯棒”探测到的也可能只是噪音。为了消除噪音,韦伯与他的合作者们做了长达数年的努力,并且采用了通过两个远距离分隔的“韦伯棒”来探测引力波的做法(因为噪音不太可能对两个远距离分隔的“韦伯棒”产生同步的影响,引力波则可以,因此通过探测同步信号,韦伯可以将噪音甄别出来)。

虽然物理学家们普遍不看好引力波探测(因为引力波非常微弱),但韦伯的尝试在当时几乎是唯一认真付诸行动的引力波探测,因而还是引起了一些兴趣,并且也得到了一些起码是口头上的支持。比如1963年,美国物理学家戴森就曾表示对韦伯的探测值得给予持续关注。据说在整个20世纪60年代,广义相对论会议上的一句常用的问候就是:韦伯探测到引力波了吗?

韦伯探测到引力波了吗?从1967年到1970年,韦伯在著名期刊《物理评论快报》上接连发表五篇论文,宣布了探测结果。

韦伯的第一篇论文发表于1967年3月27日,标题为“引力辐射”。这篇论文发布了10组疑似引力波造成的信号,每组都标明了信号出现的时间,跨度从1965年9月21日到1967年2月17日。10组信号中,较早的7组是由单个“韦伯棒”探测到,较晚的3组则是由相距三公里左右的两个“韦伯棒”共同探测到的同步信号。很明显,在这10组信号中,由单个“韦伯棒”探测到的7组其实没什么价值,因为没法甄别噪音;值得关注的只有由两个“韦伯棒”共同探测到的那3组同步信号。

在发表这篇论文时,韦伯的态度还相当谨慎,他表示,那几组信号若真是引力波造成的,则强度似乎太大,大到了应当伴随有其他天体物理效应——比如超新星爆发——的程度。由于并未有人观测到与他的信号相伴随的其他天体物理效应,那些信号“源自引力辐射显得很不可能”。假如源自引力辐射“显得很不可能”,那信号会来自何方呢?韦伯猜测是地震。1967年11月,在给同事的一封信中,韦伯坦率地表示,“韦伯棒”的抗干扰能力虽然不错,却远非完善,他并且将信号源自引力波的概率估计为1/50。这个估计虽无实质的定量依据,却显示出谨慎的态度。

“很好的证据”

不过,这种谨慎的态度在后续论文中越来越少,直至消失。

韦伯的第二篇论文发表于一年多之后的1968年6月3日,标题为“引力波探测器事件”。这篇论文发布了为期两个月的时间跨度内探测到的4组新信号,全都是由两个相距两公里的“韦伯棒”探测到的同步信号。在这篇论文中,韦伯对同步信号纯属碰巧的概率作了估计。这种估计从道理上讲是很有必要的,因为哪怕在两组完全随机的信号中,也会纯属碰巧地出现一些同步信号——尤其是在“同步”本身界定得比较粗糙的情形下。韦伯以同步信号每隔多少时间才会纯属碰巧地出现一次作为衡量其概率的指标。针对那4组信号,他给出的结果分别为150天、300天、40年和8,000年。

假如韦伯的估计无误,那么很明显,每隔40年和8,000年才能纯属碰巧地出现一次的信号——尤其后者——是相当稀罕的,稀罕到了不太可能“纯属碰巧”的程度。因此虽然探测精度并无实质改进,韦伯的信心却因为这种估计而显著增加了,在论文的结论部分表示:“极低的随机巧合概率使我们能排除纯粹的统计起源”,“起码稀罕的信号有可能是引力辐射所激发的”。这个口气虽依然带有谨慎色彩(因为谈的只是“有可能”),比起将信号源自引力波的概率估计为1/50来,明显是加强了。