物理群星
雷纳·韦斯 肖像

图:Bengt Nyman,2017 / Wikimedia Commons / CC BY 2.0

雷纳·韦斯

Rainer Weiss

1932–2025 · 生于德国柏林 · 德国裔美国

相对论天体与宇宙学

一道给学生出的习题,变成了人类最灵敏的一把尺

诺贝尔物理学奖 2017 对 LIGO 探测器与引力波观测的决定性贡献

韦斯一生最重要的一份文件,从来没有在任何期刊上发表过。那是 1972 年麻省理工电子研究实验室的一份内部季度进展报告,编号 105,标题叫《电磁耦合的宽带引力天线》。今天两台 LIGO 探测器的技术路线,基本上还是那份报告列出的清单。

从退学生到技师

他 1932 年生于柏林,出生那年父亲就因犹太人身份与共产党身份被迫离开德国。全家先逃到布拉格,1939 年辗转到纽约。少年时代的他靠修收音机和装音响挣钱,对声音的执念一辈子没退——他后来说,做低噪声电子学的手艺是那时练出来的。

1952 年,他在麻省理工念到大三,因为一段追到芝加哥去的感情荒废了功课,退学了。扎卡赖亚斯把他捞了回来,先让他在实验室当技师,然后一步步读完学士与博士。这段经历他从不避讳,晚年常拿它安慰走弯路的学生。

一道习题

1960 年代末,他在麻省理工接手一门广义相对论课程,自认对这门理论并不精通,只好边教边学。讲到引力波如何作用于物质时,他给学生出了一道题:把几个自由悬挂的质量摆在不同方向上,用光信号去量它们之间距离的变化,会看到什么?

题目出到一半,他意识到自己写的是一台探测器的设计图。

1972 年那份报告把这个想法做到了工程层面:两条互相垂直的长臂,激光在其中往返,引力波一来就把一条拉长、另一条压短。报告最有价值的部分不是方案本身,而是逐条列出的噪声——地面震动、悬丝的热噪声、激光的散粒噪声、残余气体分子的撞击、镜面的辐射压涨落——每一项都给了量级估计和对策。此后半个世纪的工作,很大程度上就是把这张清单一条条按下去。

一边测宇宙的余烬

引力波这条线漫长得看不到头,他同时做着另一件事:1974 年与马瑟等人向 NASA 提出一颗测量宇宙微波背景的卫星,1976 年 NASA 把三支竞争队伍合成 COBE 科学组,他被推为主席。1990 年 COBE 给出了宇宙微波背景近乎完美的黑体谱,1992 年又测到十万分之一量级的温度各向异性——大爆炸模型最有力的证据之一。他没有分享 2006 年那次的诺贝尔奖,但那台卫星的科学目标,是他主持的科学组一起定下的。

四十三年

LIGO 的经费之路极其艰难。国家科学基金会内部反复辩论,一度是该机构史上最大的单项投入,而学界不乏「这钱要打水漂」的判断。1994 年巴里什接手管理,把它从一个大学项目改造成有工期、有分包、有质量控制的工程。初代 LIGO 从 2002 运行到 2010 年,如预期那样什么也没测到——它的任务是把技术走通。

2015 年 9 月 14 日,升级后的探测器刚完成调试,信号就来了。韦斯最初的反应是怀疑有人往数据里注入了假信号做演习,团队为此花了几个月排查。

2017 年他与巴里什、索恩共获诺贝尔奖。领奖时他八十五岁,距离那份没能发表的内部报告,四十五年。

代表方程

引力波应变

h=2 ΔLL∼10−21h = \frac{2\,\Delta L}{L} \sim 10^{-21}

引力波不是把东西推来推去,而是把空间本身按比例拉伸与压缩。LIGO 的臂长 4 公里,10⁻²¹ 的应变意味着长度变化约一万亿分之四米——不到一个质子直径的万分之一。所以这台仪器测的从来不是长度,而是长度的比值。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.韦斯《电磁耦合的宽带引力天线》,麻省理工学院电子研究实验室季度进展报告第 105 号第 54 页(1972)
  2. 2.LIGO 与 Virgo 合作组《双黑洞并合引力波的观测》,《物理评论快报》第 116 卷第 061102 号(2016)