捕捉引力波背後的故事(之七):隨心所欲的德瑞福

貝爾成為劍橋大學的研究生之前是蘇格蘭的老牌學校格拉斯哥大學的學生。入學時,每個本科生都隨機地安排有一位導師,貝爾便攤到了德瑞福。德瑞福自己那時也不過三十出頭,剛剛博士畢業,留校當了教師。

很快,貝爾發現德瑞福的心思從來沒有放在指導他們幾個學生上,對他們的選課、考試等等提不起半點興趣。他只愛嘮叨一些自己腦子裡正在琢磨著的、聽起來雲山霧罩的物理問題。貝爾深感失望。

德瑞福出生于格拉斯哥附近的一個小村。他父親是鄉村醫生。母親生他時遭遇難產,是父親協助另一個醫生用產鉗硬把他拽進這個世界的。當地人相信這樣出生的孩子大腦可能受到損害,會異常倔犟不聽話。德瑞福果然印證從小就性格孤僻,很不合群地自以為是。但他也顯示出與眾不同的動手能力,最喜歡做的是幫父親的病人修理收音機、鐘錶等小玩意。第二次世界大戰期間來來往往的軍隊在當地留下了大量廢舊電子元件,成了他收集的寶貝。他用這些“垃圾”組裝了村裡的第一臺電視機,讓鄉民們有幸瞻仰1953年英國女王的加冕盛典。

窮困的出身賦予了德瑞福儉樸、摳門的習慣。即使是做了大學教授,他也總是在收集各種別人丟棄的小物品,想方設法讓它們發揮出新的用途。他的孤僻也沒有多少改進。大學畢業時他曾有機會去劍橋大學深造,但家人一致反對,擔心以他的性格離家遠將無法生存。於是他就留在了格拉斯哥大學。(貝爾大學畢業時希望去蘇格蘭天文臺工作,卻因為是女性被婉拒。德瑞福推薦她去了劍橋,然後我們就知道了脈衝星的存在。)

大學本科生貝爾那時無法聽懂的是德瑞福正在籌劃一個非常新穎的實驗。

質量是一個非常基本的物理概念。牛頓力學的第二定律說物體受到外力時會加速,加速度大小與受力成正比,比例便由物體的質量決定。牛頓的萬有引力則說兩個物體之間有引力,引力大小與物體的質量成正比。這兩個定律看起來簡單,卻隱含了一個蹊蹺:質量是一個物體本身特有的屬性(通俗來說就是物體自己有多少貨),也許可以決定它產生的引力大小,那怎麼同時又決定了自己受外力作用的反應呢?從牛頓開始,物理學家就猜想也許其實有兩個不同的質量,分別叫做“慣性質量”和“引力質量”,我們只是看不到它們之間的區別而誤以為那是同一個概念。

愛因斯坦的廣義相對論引進了一個新的“等價原理”:一個加速中的物體與一個在相應引力場——或彎曲的空間——中的物體是無法區分的。這樣的話,慣性質量和引力質量也必須完全等同,否則等價原理無法成立:通過測量兩個質量的差異就可以判定物體是在加速還是處於引力場中。

如果說找出最兩種質量的差異在經典物理中還只是一個有意思的結果,在廣義相對論便成為對其基本原理上的本質挑戰。

德瑞福知道那時物理測量精確度最高的有原子的核磁共振光譜,而這個光譜線與原子核的慣性質量息息相關。通過在不同環境下測量光譜可以發現原子核的慣性質量是否會因為環境有變化。而另一方面,原子核的引力質量是與環境無關的。如果發現這方面的差異就可以知道兩者不是同一個概念。

他的設計別出心裁,就是要連續24小時測量鋰原子的光譜。在這過程中,鋰原子核隨著地球自轉“坐地日行八萬裡”,其所在的宇宙環境也發生了“天翻地覆”的變化:有時正對銀河系中心恆星密集的方向,有時卻面對恆星相對稀疏的夜空。這個環境質量分佈的變化如果能夠影響原子核慣性質量,便會在光譜線的精度範圍內表現出來。

比他這個設計更為奇葩的還是他的實施手段。實驗需要有磁場,他沒有設備,就直接利用起天然、現成的地磁場。其餘的一切也都是同樣地因陋就簡:他從學校裡借來幾個教學用的簡單儀器,配上以前收集的廢棄汽車電池、古舊的照相機、顯微鏡,就在他母親的後院菜園裡測量起來。

幾乎同時,美國耶魯大學的休斯(Vernon Hughes)教授帶著他的團隊,使用正規的設備也獨立地進行了同樣的實驗。他們取得了一致的結果:測量不出慣性質量有什麼變化,廣義相對論沒有問題。

區別只在於德瑞福單槍匹馬在自家後院土法上馬做出的結果比耶魯的在精度上高出了兩個數量級。這個實驗後來被命名為“休斯—德瑞福實驗”。

1970年德瑞福回到格拉斯哥時,已經被韋伯的壯舉勾了魂。他在系裡創立了一個實驗室,與年輕助手休夫(James Hough)一起研究如何探測引力波。他非常希望能去觀摩韋伯的實驗。韋伯那時卻已經因為同行們的質疑而煩躁,斷然拒絕了德瑞福的請求。固執倔犟的德瑞福不甘心,自己飛過大西洋就直接去敲韋伯實驗室的門。韋伯非常生氣,依然拒絕了這個遠方的不速之客。

吃了閉門羹後,德瑞福回到蘇格蘭與休夫一起自己研究、組裝了一個韋伯棒。折騰了5年,最後下了結論:韋伯棒無法測到引力波,必須另闢蹊徑。

捕捉引力波背后的故事(之七):随心所欲的德瑞福

1972年的德瑞福(右)和休夫在格拉斯哥大學實驗室裝配他們自制的韋伯棒。

他不記得是從哪條途徑聽說韋斯的干涉儀的,只記得想方設法只能找到韋斯在麻省理工學院內部發表的那篇論文的縮微膠片,放大印出後幾乎無法辨認內容。他很快意識到干涉儀必需的激光器是他的最大難題。當時購買一個高質量的激光器需要花費一萬英鎊,遠遠超過他的負擔能力,更不符合他勤儉持家的風格。於是,他花了近兩年時間鑽研如何改進激光。

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韋斯的干涉儀遵循邁克爾遜和莫雷的經典設計,將一束激光分到兩個方向,分別反射回來後再通過干涉條紋來測量激光所走過的距離之間的細微差別。這裡的關鍵是非常細微的距離之差需要被放大。放大的倍數,亦即干涉儀的靈敏度,主要取決於距離的長短。也就是說,干涉儀做得越大,就越能探測到鏡子微小的振動。

韋斯在麻省理工學院擺弄他那個小模型時,已經意識到如果讓激光在光源和鏡子之間的長臂上不只是走一個來回,而是在光源附近再加一個鏡子讓光束多次來回發射,可以有效地將臂長放大好多倍,大大提高靈敏度。但這樣也會帶來激光在這過程中互相干擾,造成頻率不穩定和散射損失等問題。

德瑞福卻找到了一個別出心裁的解決方法。

早在十九世紀末,法國兩位物理學家法布里(Charles Fabry)和珀羅(Alfred Perot)發現,如果把兩塊表面鍍銀的玻璃置放在非常接近的距離,可以觀察到清晰的干涉條紋。這是因為光線在兩面玻璃之間的狹縫裡多次發射後過濾選出特定頻率的光。頻率與狹縫寬度相合的光在狹縫中穩定增強。在沒有激光的年代,這是一個廣為使用的光線實驗手段。

德瑞福異想天開,將這個原本是狹小縫隙中的技巧用在幾十米的干涉儀長臂上,把光源和鏡子設計成一個超長的“法布里—珀羅諧振腔”。只要調整好臂的長度,使其固定為激光波長的整數倍,就可以有效地避免散射損失。為了保持這個諧振腔裡激光的穩定性,他還借用了龐德早先在微波實驗中穩定波頻的一個技巧,與霍爾(John Hall)合作設計出一個負反饋電路,能夠長期保證這個大型諧振腔中激光的穩定性。(霍爾後來因另外的精密光學技術獲得2005年諾貝爾獎。)

這個叫做“龐德—德瑞福—霍爾”的技術不僅是探測引力波的激光干涉儀中最關鍵的技術突破之一,而且在整個光學領域獲得了廣泛的應用。

捕捉引力波背后的故事(之七):随心所欲的德瑞福

德瑞福與他的光學儀器。

難怪,當索恩准備在加州理工學院開張引力波探測時,韋斯、布拉金斯基等人都毫無保留地推薦了德瑞福。

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德瑞福這時候在格拉斯哥正得心應手,在自己的實驗室裡可以隨心所欲,享有說一不二的特權。他深信這是他能夠快速取得科研進展的原因和必需的前提條件。但加州理工學院也有吸引他的地方,那就是他在蘇格蘭絕對不可能想象的科研資金。最好的可能當然是魚與熊掌兼得。於是德瑞福開出條件:他到加州後也必須是那裡的絕對負責人,一切由他說了算。

索恩自己性格隨和,沒有多大異議。他們達成了一個臨時的協議。在“試用期”中,德瑞福同時擔任兩個學校的職位,定期在兩個校園之間穿梭,各服務一半時間。看看雙方是否能彼此適應。

德瑞福抵達加州理工學院後果然不含糊,立刻就做出他第一個重大決定。索恩本來還對韋伯棒滿懷希望,計劃按照他與布拉金斯基研究出的改進方式繼續嘗試。德瑞福卻不屑一顧,他已經在韋伯棒上浪費了5年的寶貴光陰,到加州來就是因為這裡有錢可以玩大型的干涉儀。索恩不得不讓步,放棄了韋伯棒。

這時已經是1980年代之初,世界各地的幾個物理實驗室在引力波干涉儀上開始了一場小小的“軍備競賽”。修建長距離的干涉儀,需要大功率的激光光源,需要維護更大的真空體積(為了減少環境干擾和空氣對激光束的散射,整個光源、鏡子、測量儀器以及它們之間激光束經過的路徑都要密封在抽成真空的容器中),這些都需要相當的投資。而且,實驗室還需要有足夠大的地盤。

德瑞福在格拉斯哥大學只能勉強建造一個臂長10米的干涉儀。德國的比令資金多一點,他們在慕尼黑的普朗克天文研究所中找到一個挺大的花園,就在那上面建起一個30米長的干涉儀。加州理工學院財大氣粗,有著自己學校提供的三百萬美元。他們在校園東北角發現有一間很大的簡易庫房正好在閒置中,那裡面可以容納一個臂長40米的干涉儀。

莫斯科的布拉金斯基只能袖手旁觀。蘇聯的經濟已經開始捉襟見肘,即使有舉國體制,也已經無法支持他加入這場遊戲。他依然堅信自己的改進版韋伯棒,希望能儘快在那上面有所突破。同時,他和索恩在兩個超級大國之間保持著經常互訪的緊密聯繫,科研上可以互通有無。

被排擠到觀眾席上的還有韋斯。1973年他第一次向美國國家科學基金會申請資助被拒。因為材料和設計被“洩露”給歐洲同行,他後來一直在找基金會申訴,要求補償。基金會在逐漸取消對韋伯的資助後也開始關注干涉儀,出於同情象徵性地給了韋斯一點資助,也就只夠他繼續維護他那個臂長只有1.5米的桌上型“玩具”。

不過韋斯的眼光已經投向更遙遠的未來。經過這麼些年的積累,他已經看出,即使這些臂長有幾十米的實驗也不過是研製、調試各種儀器的排練場。要想測量到引力波,必須建造臂長達到幾千米的真正“大傢伙”。

而建造幾千米長的干涉儀已經不是大學實驗室裡各自為戰的“小作坊”方式所能勝任。儘管韋斯自己對高能物理領域正如火如荼的粒子加速器“大科學”模式深惡痛絕,他也知道那將是探測引力波不得不要走上的唯一通道。他成功地說服基金會專門撥了一筆款,資助他對幾千米長的干涉儀進行技術和預算上的先期可行性考察。

於此同時,終於落實了他所需要的實驗領軍人物的索恩卻異常地樂觀。1981年5月6日,他與普林斯頓大學天文物理學家奧斯特里克(Jeremiah Ostriker)打了一個賭:人類會在2000年1月1日——新世紀來臨——之前探測到引力波。那時候他還沒意識到他會在這種有時間限制的賭約上傷痕累累。

(待續)

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END


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