捕捉引力波背後的故事(之十四):超越國界的大協作

華盛頓是美國西北角的一個州,經常會被人與東部的首都華盛頓特區搞混。與西海岸的其它州相似,這裡的居民只聚集於沿太平洋海岸的一些城鎮裡。如果離開海岸線向東走,很快就會進入人煙稀疏的山區和荒漠。

1942年底,惠勒伴隨著一些神秘人物來到荒涼的華盛頓州東南部。經過一番考察,他們選定一個叫做漢福德(Hanford)的小鎮,以戰爭的名義遷走附近一千多散居人口,設立了美國第二個核燃料生產基地。惠勒更是把他全家都搬到這裡生活了一年多,設計、建造了世界上第一個大型鈈(plutonium)工廠。1945年8月,人類第一顆原子彈成功試爆。它和稍後在日本長崎爆炸的“胖子”(Fat Man)使用的都是這裡生產的鈈,大大地加速了第二次世界大戰的結束。

1960年代末,漢福德的反應堆完成了它的歷史使命,一個個停產關閉。當地的設施轉換為能源部所屬的國家實驗室之一,主要任務卻是治理幾十年的核燃料生產給當地自然環境所造成的嚴重輻射汙染。

二十來年後,一批下一代的物理學家再度造訪這個荒漠,選定漢福德為建造干涉儀的兩個地點之一。

捕捉引力波背后的故事(之十四):超越国界的大协作

1993年,德瑞福在漢福德附近的沙漠中一鍬定音,選定建造干涉儀的地點。

除了地廣人稀、土地已經為政府所有,可以避免購併、拆遷等麻煩手續以外,漢福德還具備一個顯著的優勢:雖然地處西海岸,這裡的地質、地理、天氣都比較“安靜”,不像其它太平洋沿岸經常有大大小小的地震、大風、雷雨,會給靈敏的干涉儀帶來不必要的干擾。

西部的地點選好後,還需要一個與之相對的地點,這樣只有在兩個干涉儀同時測到信號時才能作為是引力波的可能,撇除其中一個地方偶然、隨機的環境信號干擾。LIGO開始選擇的是與漢福德緯度相近的東北部的緬因州,後來卻因為“種種原因”臨時改成了東南部的路易斯安娜州的小鎮利文斯頓(Livingston)附近,讓當時正在積極遊說緬因參議員的沃格特很是被動。

對利文斯頓這個選址很不滿意的還有韋斯,他的緣由是出於科學而不是政治。利文斯頓幾乎就是後來在2005年遭受颶風滅頂之災的新奧爾良市的郊區,鄰近墨西哥海灣,一年中有一半時間可能有颶風光臨。更有甚者,美國的第二大輸油管道正從干涉儀所在的地下穿過,也是令人頭疼的干擾源。(相比之下,漢福德那邊就只有核輻射會令人不快,而干涉儀不在乎輻射。)

除了同樣的地廣人稀,利文斯頓的地理環境幾乎完全是漢福德的反面。這裡是美國東南部特有的沼澤森林地帶。海拔只有區區十米。建築干涉儀時挖掘的溝道很快便灌滿了水,繁殖起大量來路不明的鱸魚,以及衝它們而來的鱷魚。

LIGO在兩個不同地點建造干涉儀與早年韋伯將他的韋伯棒置放在兩個不同地點是出於同樣的考量。但作為大科學的LIGO與韋伯的單打獨鬥自然不能同日而語。漢福德和利文斯頓幾乎處於美國版圖的對角線上,分隔很遠。它們之間直線距離超過3千公里,以光速傳播的引力波如果從一個站直接傳到另一個站也需要10毫秒的時間。因此,如果兩個站接收的信號不是嚴格的同時,就可以通過其時間先後和差值估算出引力波來源的大致方位。

捕捉引力波背后的故事(之十四):超越国界的大协作

漢福德(左)和利文斯頓(右)兩個地點的干涉儀和它們在美國地圖上的位置(中)。從照片中可以看出兩個干涉儀所處的地貌之不同。

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在美國人為了他們的干涉儀焦頭爛額、屢敗屢戰的那十來年裡,歐洲人也沒有完全閒著。

德國普朗克研究所的比令在韋伯棒和干涉儀上浸淫幾十年後已經在1989年退休了。他的學生、同事繼續著他開始的事業,與德瑞福留在格拉斯哥大學的的實驗室合作成立了一個名叫“德國英國天文臺”(German-English Observatory)的項目。他們本來策劃了相當於一億歐元的預算大幹一場,結果成功在望時卻因為“天不時”而功虧一簣:1989年11月9日,柏林牆在東歐的劇變中“倒塌”,二戰之後分離了將近半個世紀的東西德國終於統一。在舉國歡騰中,原來西德政府的大量科研資金與其它政府預算一樣被轉向資助東德兄弟,許多項目被撤銷。GEO便成為犧牲品之一,只是他們的不幸同時卻是他們國家民族乃至歐洲之大幸。

及至1993年,他們終於得到私立大眾汽車基金會的資助,在德國漢諾威市附近修建干涉儀。只是,他們獲得的微薄資金只能建造一個臂長600米的小傢伙——與比令當年在實驗室裡建造的相比也只大了區區20倍。這個干涉儀因此被暱稱為“GEO600”。

意大利的物理學家不甘落後。他們與法國人合作在兩國政府取得資助,在著名的“比薩斜塔”附近修建起一個臂長3千米的干涉儀,取名叫做“Virgo”。與LIGO和GEO不同,這個名字不是什麼縮寫,而是星空圖中“處女座”的名字。處女座實際上是由1500來個星系組成,距離我們大概5千萬光年,相對來說還不算太遠。Virgo的設計者希望他們的靈敏度足以探測到那些星系裡的雙中子星合併所發出的引力波信號。

1950年代,西歐十二個國家從戰後的殘骸中崛起,聯合建立了歐洲核子中心與美國的加速器、對撞機競爭、抗衡,也同時開創了歐洲國家摒棄互相之間的歷史糾紛走向統一的新紀元。歐洲核子中心不僅逐漸與美國平起平坐,更因為美國這邊超級對撞機的取消而獲得高能物理實驗中幾乎獨領風騷的地位。除了核子中心,歐洲也有一個與美國航天局對應的歐洲空間局,聯合各國開展衛星發射、空間探測等科研活動。

引力波是一個前所未有的全新領域,歐洲尚未建立如同美國科學基金會的龐大、統一的科研資助機構。因此,干涉儀的研製、修建還是個別國家的各自為戰和局部合作。(荷蘭、波蘭、匈牙利、西班牙後來相繼加入了法國和意大利的Virgo項目。)無論是GEO600還是Virgo,在規模和靈敏度上都比LIGO遜色不少。它們無法與LIGO分庭抗禮,只能擔任輔助角色。

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1997年,美國漢福德和利文斯頓兩個選址的基礎設施建設均已接近尾聲,開始進入科學儀器安裝、測試階段。兩個地點雖然外表地貌看上去截然相反,兩個干涉儀的建築卻無論內外都一絲一毫不差,幾乎無可分辨。唯一的區別是裡面有幾扇門在一個地方是開左邊的門而在另一個地方是開右邊,令那些兩邊來回穿梭的工作人員頗為鬱悶。

巴里什的眼光這時已經投向更為長遠的計劃。他知道,一旦干涉儀進入調試、運轉狀態,會需要大量的專業人力監控、分析、處理這個複雜的大傢伙分分秒秒所產生的大量數據。如果探測到可能的信號,更需要大量的複查、核實和檢驗工作。這些可能不是他自己的團隊所能勝任。同時他也認識到,只有開放大範圍的數據合作、分享,才可能避免重蹈韋伯時代的覆轍。

2007年,LIGO科學合作組織與Virgo正式簽署協議,進入幾乎是合併的共同運作模式。兩邊的科學家不分你我,展開全面的技術合作,實時分析所有數據,共同發表論文、發佈新聞。Virgo的加入不僅能夠為LIGO的兩個干涉儀提供進一步的獨立驗證,而且還提供了地球上的第三個探測點。如果三個干涉儀探測到同一信號,便可以進行“三點定位”的幾何計算,比兩個探測點更能準確地確定引力波的來源所在。

時至今日,LIGO科學合作組織已經擁有1200多科學家成員,代表著18個國家、108個科研單位,其中包括中國北京、臺北的兩個清華大學和香港的中文大學。引力波的探測不再是幾個科學家在實驗室中的夢想,不再是個別國家的壯舉,而成為全球性的事業,全世界科學家共囊的盛舉。

捕捉引力波背后的故事(之十四):超越国界的大协作

參與LIGO科學合作組織的部分大學和科研機構。

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除了極少數科學界人員,LIGO的使命並不為外人所知。尤其是在比較封閉、落後的路易斯安娜州,當地人對這個坐落在森林中形狀詭異的龐然大物甚是好奇。有人認定這是政府與外星人聯絡的秘密基地;有人則認為這是一個穿越時間旅行的港口——那兩條長臂正是一條通往過去,一條連接未來。

更有甚者,有好事者竟把這些平常沒有什麼人員活動的建築當作靶子練習射擊。當工作人員赫然發現牆壁上有嵌入的子彈頭時才知道其中厲害。聯邦調查局介入了調查,也無可奈何,只是建議他們增建更牢固的外牆做保護。巴里什則親自深入群眾,到當地的狩獵俱樂部拜訪、座談、共進午餐,和善地解決了問題。

荒漠、遺棄了的漢福德附近沒有多少閒雜人等,卻也不盡太平。有一次一位保安人員一時興起在深夜荒地裡飈車,失去控制後撞上了干涉儀長臂的混凝土外殼。他自己多處骨折,僥倖保住了性命。對LIGO來說,更幸運的還是事故的撞擊力只造成長臂真空系統的細微洩露,很快得以補救。如果撞得更狠一點,造成大規模的真空損失,那整個干涉儀便要停工很久才能重新恢復、建立其超高標準的真空。

人為的事故只是偶然發生,LIGO的工程師更為專注的是可能存在的環境干擾。

為了精確地掌握各種噪音來源,兩個地點的工作人員都花費大量時間精力調查可能的干擾源,在附近的公路、工業和輸油用管道等部位安置了大量的靈敏地震儀(seismometer)監測振動,為干涉儀中懸掛反射鏡的“主動隔離”系統提供參考數據。這些不同來源的噪音發生在不同的頻率段,有著各自特定的頻譜“指印”,可以在干涉儀數據中辨識。

漢福德往西大約300千米便是美國的西海岸,太平洋的波浪時刻都在沖刷著岸邊的沙灘和礁石。利文斯頓距離墨西哥海灣更是不到那一半的距離。即使在風平浪靜的日子裡,海浪有規律地拍擊也是干涉儀可以清楚地探測到的環境噪音之一。

在幾乎所有的環境噪音干擾源都核查清楚後,利文斯頓的人們遇到了麻煩。他們發現有一個經常發生、頗有規律的噪音無法辨認出來源。他們投入了整整一個夏天,依然是令人沮喪地莫名其妙。終於,在一個寧靜的臨晨,韋斯在駕車上班的路上無意中瞥見森林裡有人在砍伐樹木。他靈機一動,立刻登上樓頂的高處觀望,同時與在監聽噪音的工作人員電話聯繫。果然,每次他看到一顆樹倒地,工作人員便同時觀察到那個不明噪音的信號——他們的干涉儀已經靈敏到足以回答那個亙古難題:“假如一棵樹在森林中倒下……”

為了杜絕這一干擾,巴里什曾試圖買下干涉儀周圍更大範圍的地盤。但擁有這片森林的林業公司乘機抬起高價,超出了政府科研預算所能承擔的標準。於是,工人伐木便也成為干涉儀懸掛系統需要對付的常規噪音之一。

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LIGO對環境噪音實時監控截圖。左上是鄰近海浪拍岸的“水聲”,右上是人類砍伐樹木的動靜(中間的空白部分便是工人午飯、休息的間隙)。

2001年5月,初級的iLIGO終於進入試運行。經過幾年的辛勤調試,其靈敏度從10^-19逐漸改進到10^-21,達到了預先設計的目標。這一成功不僅令科研人員歡欣鼓舞,也最後不再有疑義地贏得了國家科學基金會的信任。2008年,基金會順利地批准了下一步建造升級版的aLIGO的後續資助。

在aLIGO能夠到來之前,iLIGO保持運轉狀態,凝聽著宇宙的靜謐。在這個靈敏度上有沒有可能撞上大運,正好收聽到引力波的輕弦一撥?所有人都在翹首以待著。

(待續)

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END


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