第二节
韦伯实验

在科学史上，探测引力波实验是一个艰难而曲折的过程。早在1916年爱因斯坦就根据弱场近似预言了引力波的存在，但是直至半个多世纪之后才开始开展探测引力波方面的试验。并且，又过了50多年实验才得到结果，其中主要涉及理论和实验本身两个方面的困难：在理论方面，首先，引力波的理论最初是同坐标选择有关的，以致无法弄清引力波到底是引力场的固有性质，还是某种虚假的坐标效应。其次，引力波是否从发射源带走能量也是个十分模糊的问题，这使得引力波探测缺乏理论根据。在实验方面，引力波强度非常弱，弱到在地面4千米长的距离引力波引起的长度变化仅为10—19米数量级，加之实验最初对于如何减少探测引力波实验仪器的噪声的方法非常有限。到了20世纪50年代，同坐标选择无关的引力辐射理论才完成，求出了爱因斯坦真空方程严格的波动解。20世纪60年代，物理学家通过研究零曲面上的初值问题，证明了引力辐射带有能量，测试质量在引力波作用下会发生运动。至此关于探测引力波实验的理论上的两大难题相继被攻克，这使探测引力波实验有了可靠的理论基础。这样，也就为韦伯实验的开展创造了理论条件。

一、韦伯之前的探测引力波实验

根据广义相对论，相互旋绕的双星由于引力辐射会损失轨道能量。轨道半径和相互旋绕周期会变短，使得两颗星越来越近，从而以更快的频率旋绕。1974年，美国物理学家普林斯顿大学的约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和罗素·赫尔斯（Russel Hulse）在波多黎各的射电天文望远镜中发现了脉冲星PSR1913+16。它由两颗质量大致与太阳质量相当的相互旋绕的中子星组成。其中一颗已经没有电磁辐射，而另一颗还处在活动期。这两颗中子星相距几百万千米，两者相互绕转的周期是7小时45分钟，运动速度为300千米/秒。通过观测发现，这两颗星的轨道的长半轴正在逐渐变小，每年缩短3.5米，绕质心转动的周期也逐渐变短。期变化率为每年减小76.5μs。估计大约经过3亿年后，这两颗星可以合并在一起。

泰勒和赫尔斯对这次观测所获得的数据与广义相对论计算出的四极矩辐射能流预言相符（截至2010年，观测数据的符合度达到0.3%）。这被看作是人类第一个获得引力波存在的时间证据，是对广义相对论的一大贡献。凭借此发现，1993年约瑟夫·泰勒和罗素·赫尔斯获得了当年的诺贝尔物理学奖。他们获得的数据如表2.1所示：

二、韦伯实验的最初设想

泰勒和赫尔斯的观察只是对引力波存在的间接证明，对探测引力波的直接观测始于韦伯。韦伯从19世纪50年代在普林斯顿研究所工作的时候，就开始思考探测引力波的真实性和可探测性问题了。1957年，他与著名量子理论解释者约翰·惠勒（John Wheeler）一起发表了一篇论文，对这个问题进行了论证。1959年，在巴黎附近的罗亚蒙特（Royaumont）会议上，韦伯的论文《引力波》（ Gravitational Waves ）获得了由引力研究基金（Gravity Research Foundation）设立的论文奖， 奖金是1000美元。韦伯在这篇论文中 ^[1] 最早提出了探测引力波实验的设想：因为引力与质量可以相互作用，因此可以造一个很大的物质来探测引力波。又因为引力波具有典型的四极效应，因此用作探测的物体可以是任何形状，韦伯最后决定采用圆柱形。这样，当有引力波通过时，就会激发共振棒产生振动，原理如图2.1所示：

但是，由于引力波非常微弱，在探测器的材质的选择上，韦伯认为压电晶体比较适合。这样，当有引力波通过共振棒时，晶体就会改变形状而发出电流， 然后通过信号放大仪将收集到的微小信号放大，最后由记录仪将收集到的信号记录下来，如图2.2所示：

由于电路中不能排斥噪声的问题，因此实验设计了2个共振棒连接在一起，如图2.3所示：

三、韦伯实验的实施

韦伯建造的探测器叫作“共振棒探测器”，因由韦伯设计建造，也被称作“韦伯棒”（Weber bar）。其基本原理是将一根长2米、直径1米、质量1000千克的铝质实心圆柱悬挂起来，当引力波的频率与棒的固有频率相等时，棒便会产生共振。棒的一个端面上装有传感器，能将机械振动变成电信号，该信号经过放大、滤波和成形之后被记录下来。为了避免地震和其他振动（比如汽车、火车、飞机等）的干扰，韦伯分别在马里兰大学和芝加哥大学建造了两个棒式探测器，只有当两个棒同时振动时，信号才被记录下来。

如果说韦伯在1959年的论文只是一种实验设计的话，那么韦伯1968发表在《今日物理》杂志上的论文则详细记录了整个实验的步骤。这篇论文可以看作是1959年论文的“升级版”，之所以这样说是因为：首先，从题目上看，1968年公开发表的这篇论文的题目与1959年论文的题目相同，也叫《引力波》（ Gravitational Waves ）。其次，这篇论文在文章结构上与前一篇论文大致相似，主要包括两大部分——在前半部分，韦伯主要论证了其探测引力波实验的理论的合理性，后半部分则详述了实验装置。再次，与1959年发表的论文相比，在1968年的论文中，韦伯明显对其实验设计进行了改进——将在1959年论文中提及用压电晶体来做探测器主体的设想改为用金属铝棒做探测器，而将压电晶体置于铝棒之上来测量电压。此外，韦伯清楚地表明了这篇论文写作于“作者作为美国科罗拉多州阿斯彭的理论物理研究所（theoretical physics division of the Aspen Institute）访问学者时”，在这篇文章中韦伯将他的引力波探测器最早叫作“高频探测器”（high frequency detector），主要是由两个棒组成：第一根是主体棒（也叫驱动棒），一个重达1400千克的铝棒，直径8英寸、长5英尺。它沿着x轴横放，外面通过一根电线与真空腔的滤波器相连，棒上面安装了一个压电晶体。随着主体棒的振动，这种振动会传到另一个直径22英寸、长5英尺、重约1.5吨的第二根探测棒上。实验的主要设计如图2.4所示。

左边是气缸及其悬挂系统的特性。右边是在X和X之间提供高阻抗的谐振电路。为什么采用这种大小的大棒，韦伯没有给出完整的理由。韦伯的助手乔尔·辛斯基（Joel Sinsky）透露当时韦伯的合作者之一的大卫·齐泼埃（David Zipoy）把棒长设计为5英尺长（1.524米），因为这样的长度能使共振频率 v= 1660赫兹；而共振频率之所以要选为1660赫兹，则是因为相应的圆频率 w= 2 πv= 10000弧度每秒，便于计算。而韦伯的另一合作者罗伯特·福沃德（Robert Forward）说之所以要把棒设计成这个长度，是因为他要经常搬动天线“大棒”，5英尺长正好是他手臂张开的长度。也就是说，棒的长度正好是福沃德手臂的长度。实验的细节，如图2.5所示：

整个实验装置如图2.6所示：

四、韦伯实验的团队

如前所述，韦伯从1958—1959年开始从事探测引力波实验的研究工作，从约1960年开始组织实验团队进行试验。最初的实验团队由三个人组成：“这方面的实验工作已经展开。合作者包括齐泼埃博士和福沃德先生……金属块已经受激产生振动……” ^[2] 之后，到了1968年，实验团队的规模扩充至五人：“探测器是一个铝的圆柱体，质量约为1400公斤，由齐泼埃、福沃德、理查德·伊姆雷（Richard Imlay）、乔尔·辛斯基和我共同研制。” ^[3] 另外，还有两名实验技师达里尔·格雷茨（Daryl Gretz）和杰罗姆·拉森（Jerome Larson），这两人隶属于美国马里兰大学的电器工程部。（伊姆雷当时是齐泼埃的研究生，1958—1962年在韦伯实验室工作，参与了校准实验，计算了从共振棒到探测器的引力能传输，并帮助齐泼埃设计了棒的隔震设计）在这个实验团队里，除了韦伯外，其核心成员主要包括以下三人：

（一）福沃德主要负责建造天线

福沃德在遇到韦伯之前，其研究方向是万有引力问题。他是在1959年认识韦伯的，当年，他也向“引力研究基金”提交了研究论文，但是最终的获奖者是韦伯。福沃德当时就看到了韦伯的这篇论文，他认为韦伯这篇关于探测引力辐射的论文论证严谨、合理。他在从马里兰大学获得固态物理学专业博士学位毕业后，加入了韦伯的团队。

在韦伯团队中，福沃德的贡献在于：首先，他最早提出了用铝合金棒代替压电晶体作为探测引力波天线。如前所述，韦伯在1959年的论文中，他最初设想可以用压电晶体作为媒介来探测引力波。比如，用蓝宝石或其他类似的晶石来做压电晶体，从实验原理上是可行的。但是在实际的实验操作中，实验小组发现如果用压电晶体来做天线的话，这块压电晶体要非常大，至少要像桌子那么大。显然，在实际中很难找到像桌子那么大的一整块蓝宝石，并且这样花费也会非常高昂。是福沃德最早意识到，天线的作用在于质量相互作用，因此天线的材质并不一定拘泥于晶体。福沃德曾试验过用钨来做天线，但未获成功。后来，他将做天线棒的材料改为铝合金。

其次，福沃德最早从第一台引力波探测器上探测到数据，根据福沃德当时的笔记，时间是从1962年5月12日（星期六）凌晨5:30开始到5月14日（星期一）上午6:30结束。福沃德首次收集到的数据如图2.7所示。但是，当时福沃德对这组数据的态度是非常“谨慎”的：“基本上，我们不知道是什么原因导致我们检测到这些高峰值。可以认为它们是由于一个爆炸性天文事件所导致的非常强的引力辐射，但更有可能是设备故障。” ^[4] 也许，从整个引力波研究的历史而言，这48小时的探测数据微不足道，但它首次标记出了探测引力波这一领域信号可能的阈值范围。

也许是受到最初的实验结果鼓舞，在1962年年中，福沃德离开韦伯实验室回到加州的休斯实验室（Hughes Laboratories），在那里，他继续建造引力波探测器。福沃德前后建造过3个引力波探测器，但受制于资金和场地方面的因素，福沃德在那里建造的探测器较之韦伯实验室的探测器要小很多[据说其中一个是在他位于奥斯纳德（Oxnard）的家中卧室的壁橱里]，遗憾的是，这些探测器再也没有获得探测结果。后来，福沃德还最早提出了激光干涉仪的理念。在职业生涯中，福沃德除了参与探测引力波实验，他还是一位著名的技术科幻小说作家。福沃德于2002年9月21日去世。

（二）齐泼埃主要负责建造天线和滤波器

齐泼埃在康奈尔大学读研究生时就听说了马里兰大学的韦伯实验室正在从事引力波研究方面的工作。于是他给韦伯写了一封信，表达了自己想要加入韦伯团队的意愿。后来，他去马里兰大学参加了应聘面试，得到了在韦伯实验室工作的机会。齐泼埃是1959年进入韦伯实验室的，在那里工作了8年。当齐泼埃最初进入这个团队时，实验尚属设计的初级阶段，根据齐泼埃后来的回忆，他与韦伯曾经设计过很多不同的方案：“它可以是个棒状，但或许，也可以是其他形状的探测器。”

齐泼埃和他的研究生伊姆雷 在韦伯团队中主要负责建造引力波探测器的天线和过滤器：“当时所做的一切都是为了推动技术的发展。我们用杜瓦瓶（真空瓶）来做感应器……那时候一开始用的是铌线——所有的操作都是一种新的尝试——当时铌是一种新材料。然后我们用固态铌做了一个线圈（有两到三英尺高、两到三英寸宽），把它放进杜瓦瓶里。当时的那个杜瓦瓶里有一个小填充管。所以我们设计的这个杜瓦瓶要能够让我们可以把线圈取出来。……另一个有意思的事是安装扩音器。当时对我们来说，晶体管是一种新材料——好吧——关于晶体管——我们甚至不知道它在低温条件下是否能够正常工作……老式晶体管——在那种情况下是不能工作的——但是我们没想到情况会那么糟。后来我们做了一个适于液氦温度的，里面安装了铌线圈的真空管放大器，然后把一个小电路线放到这个真空瓶里，把瓶里充满氦气。……因为当时有人质疑房间里的噪声会对棒的振动和扩音系统形成干扰，所以当然要把棒放到真空瓶里，但是这个杜瓦瓶——我不知道为什么，工作的效果并不好——然后我们又做了一个胶合板的箱子来装这个杜瓦瓶，这个箱子有6英尺高、3英尺见方，为了把它变成一个隔音罩，我要用电锯来切这个箱子。一共是3/4英寸大小的胶合板被我切下来5/8英寸，几乎切到边了，所以这盒子本身就是一个连接很松散的方块，因此根本不知道它能不能起作用。我把麦克风安在里面，然后对着它大喊大叫。……但是，不管怎样，好像是没问题的。因为你确实需要对杜瓦瓶的隔音效果进行检验，很明显，过滤效果很好。” ^[5]

然而，关于探测引力波实验最棘手的问题就是噪声，因为只要通过电路，系统就会存在噪声。并且，有引力波信号极其微弱，因此探测引力波实验主要要解决的问题就是噪声问题。这需要不断的打开真空仓、抽出空气、仪器调试，再打开真空仓、抽出空气、仪器调试……如此不断重复，不断调试。这是一个单调枯燥的过程，就如齐泼埃所说：“我不想把我的余生都花在无休止的调整上。我已经厌倦了。” 在收获了第一次实验结果后，齐泼埃离开了韦伯团队。或者说，他彻底地离开了探测引力波实验。在之后的30余年时间里，他对整个探测引力波实验的进展一无所知，显然，“他对这个领域的兴趣已经枯竭了”。

（三）辛斯基主要负责校准

1959年，辛斯基在马里兰大学攻读博士学位，博士论文的主题就是关于探测引力波的校准实验。他于1961年加入韦伯实验团队，直到1966年年底才开始收集数据，1967年获得博士学位。 辛斯基在韦伯团队中的工作可以用“艰苦”二字来形容：一方面，为了获得有效数据，辛斯基需要每四个小时将共振棒移动一次，不分昼夜，这使得他不得不以实验室为家，即使周末也不例外。另一方面，辛斯基博士论文的主题就是关于探测引力波校准试验的，如果实验不能顺利进行，无法获得有效的探测数据，那么，辛斯基就无法完成博士论文，便不能顺利地获得博士学位。特别是，当他的同学都已经完成毕业论文顺利毕业后，辛斯基的压力达到了顶点： “我的问题是我在做的是一个非常困难的实验。我所要做的是建议做天文台、盖一座楼。我的意思是，很多其他人要做的是——你知道的——操作一台仪器，把曲柄调到另一个频率上，然后就毕业了。” ^[6] 终于，实验在1966年基本清除了所有可能干扰实验的噪声，进入正常实验校准阶段。

辛斯基的校准实验主要分为两个步骤：首先，他要建立关于驱动棒和接收棒之间可能的引力耦合的理论模型，通过这个模型可以清楚地展示两个棒的运动变化。其次，辛斯基还要不断地调整两根棒之间的距离。最初，这两根天线是对着放的，之后要逐步地将两根棒向外侧移动，观察探测器所输出的能量的变化。如果所观测到的能量变化与计算出的变化相匹配，那么就意味着实验成功了。在第一次试验中，辛斯基把两条棒安装在同一水平上，然后每两小时向外侧移动5厘米。比如，从上午10点到中午12点，两根棒之间的距离为5厘米；从中午12点到下午2点左右，两根棒之间的距离为10厘米；之后，它们被移到15厘米；然后是20厘米、25厘米，最终再返回到5厘米的间距。辛斯基记录的数据如图2.8所示：

他的记录显示，当两根天线之间的距离达到25厘米时，探测器的探测水平骤降。因此，当探测距离达到25厘米之后，两根棒之间的距离再回到5厘米的间隔，如此反复。辛斯基的校准实验所收集到的数据表明，距离会影响能量的传递。尽管辛斯基所收集到的信号并不能排除噪声的可能性，但可以根据他之前建立的引力耦合模型进行筛选，以此来保证探测到的引力波数据的可靠性。作为韦伯实验的一部分，在20世纪60年代，辛斯基的校准实验引起了当时物理学界的关注：辛斯基分别于1967年5月在物理学权威期刊《物理评论快报》（ Physical Review Letters ）、 ^[7] 1968年3月在《物理评论》（ Physical Review ）上发表论文 对他的引力波校准实验进行了论证和介绍。1968年4月，科普杂志《科学新闻》（ Science News ）对辛斯基的引力波校准实验进行了报道：“乔尔·辛斯基博士做了一个实验来测试他们的[棒]的灵敏度。他想查明其中一个棒的振动是否会通过引力相互作用引起另一个棒的振动。他发现，在两码以内的中心距上，这种现象的确发生了。” ^[8] 此时，辛斯基的研究达到了他的学术顶峰。辛斯基1997年在接受科学知识社会学家柯林斯采访时说，之后的若干年里，他写了50多篇论文，但是一篇都未能发表。这些记录了其探测引力波的校准实验有关的笔记、图纸和论文被一直尘封在辛斯基家的地下室里。1969年年初，辛斯基带着绝望的心情离开了韦伯的实验团队。之后辛斯基加入了美国海军，负责整个美国冷战时期潜艇探测工作的后勤工作。从那之后，他对引力辐射研究领域内的相关研究失去了兴趣，对其中所涉及的论题几乎一无所知。 1994年，辛斯基从美国海军退役。

（四）为什么韦伯团队到最后只剩下韦伯

回溯韦伯实验的过程不难发现，从实验刚开始，韦伯团队成员就纷纷离开。到最后，韦伯实验团队只剩下他一个物理学家。有人可能会把造成团队成员离开的原因归结为韦伯的性格不容易和人相处（韦伯实验后来受到质疑，导致韦伯多次和包括理查德·嘉文（Richard Garwin）在内的物理学家发生激烈争论，甚至在一次会议上差点和嘉文动手打起来。因此，韦伯常给人留下一种很难相处的印象）。但是，据辛斯基说：“在工作上他对我们从不苛求。我们的实验进行得很困难，但他仍然对我很好、很公平。他比我工作更努力——工作时间更长——尽管为了保证每四小时挪动一下探测棒，我需要在实验室里。” ^[9] 恐怕导致韦伯团队最终解体的主要原因还是探测引力波实验的难度太大、持续的时间太长。一直在做一项看不到“希望”的实验，每天都要对实验的各个环节不断改进，这种“高压”状态对所有团队成员的心理承受能力都构成一种挑战。这也许就是为什么在韦伯团队成员离开实验室之后，无一人再从事相关领域甚至是物理方面研究的原因。这一点正如多年之后，最后离开团队的辛斯基在接受采访时说：

[1997]我每天都来，我们在做实验。你知道，需要花几天时间才知道它是否起作用，因为我们要获得足够的数据，看它是否按照我们预期的读数来读数（如果距离探测器和发电机之间的关系是引力耦合是正确的）。如果不是，那么我们就要采取比我们预期的隔离措施更严格的隔离措施。我们把音响设备要么放在接收器下面，要么放在发电机下面。然后我们把地板振动探测器放在它周围，看看它是否通过地板耦合。我还要在棒周围放置更多的绝缘材料。我要做的就是让安装有放大器的这根棒能够和电磁辐射耦合。所以我们把放大器放在莫斯勒保险柜里。那是一个用来存放贵重物品的保险柜，是一个很大的保险柜，有着大概四英寸厚的铁墙[笑声]，我们把扩音器放进去了。这真是太不可思议了。

每一天，乔都会想出一些新的方法来测量假耦合并试图降低这种概率，我在这样做了大约一年之后就放弃了，我想通过其他渠道来改善隔离效果。韦伯太让我感到惊讶了，我一直认为他是我所见过的最伟大的实验主义者，因为他每天都会提出一个关于如何减少耦合的新想法。哪里可能阻碍泄漏，如何来做……

我记得我每天来的时候都会说：“韦伯博士，我想不出我还能做什么。”然后，他会说：“好吧，我们为什么不这样试试……”

我们能够探测到这种引力相互作用——我可以肯定——因为我们得到了所有适当的误差（当驱动程序离开驱动杆时耦合强度适当降低）。

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[1] 《罗亚蒙特会议论文集》（ Royaumont conference proceedings ）所收录的韦伯的论文直到1962年才出版。但其主要思想已在韦伯1961年出版的著作《广义相对论与引力波》（Joseph Weber， General Relativity and Gravitational Waves ，New York：Wiley Interscience，1961）中发表。（这本书是出版商委托约翰·惠勒出版的系列丛书之一，惠勒推荐了韦伯）

[2] Joseph Weber,"Detection and Generation of Gravitational Waves", Physical Review ,Vol.117,No.1,1960,p.311.

[3] Joseph Weber,"Gravitational-Wave-Detector Events", Physical Review Letters ,Vol.20,No.23,p.37.

[4] Harry Collins, Gravity's Shadow ,Chicago & London:The University of Chicago Press,2004,p.38.

[5] Harry Collins, Gravity's Shadow ,Chicago & London:The University of Chicago Press,2004,pp.43-44.

[6] Harry Collins, Gravity's Shadow ,Chicago & London:The University of Chicago Press,2004,p.54.

[7] Joel Sinsky & Joseph Weber,"New Source for Dynamical Gravitational Fields", Physical Review Letters ,Vol.18,No.19,1967,pp.795-797.

[8] Harry Collins, Gravity's Shadow ,Chicago & London:The University of Chicago Press,2004,p.60.

[9] Harry Collins, Gravity's Shadow ,Chicago & London:The University of Chicago Press,2004,p.48. NqAYigg7IRZOyVXp3he/u+LIjFOdxkQtCO6MjwShYGIcsh1mEIfXtGWaQw1r+cs3