第四节
棒式引力波探测器的“后韦伯”时代

从1975年开始，探测引力波实验进入了“后韦伯时代”。所谓的“后韦伯时代”对探测引力波实验，应当从两方面来看：

一方面，对韦伯而言，韦伯彻底被赶出了探测引力波实验的“核心层”，他在他所开创的这个实验领域中不再处于主导和领先的地位。然而，韦伯的探测工作并没有停止，在随后的20余年时间里，韦伯依然从事着探测引力波实验——他不断地对他的探测器进行改装和升级，只是，韦伯的实验环境发生了很大变化——他从万众瞩目的一个学术超人几乎变成一个学界的“过街老鼠”：几乎不会被任何学术会议邀请；他的实验室变得斑驳不堪；所有的曾经的实验合作者都离他而去，到最后只剩他一人；没有学术机构愿意资助他，他自掏腰包做实验，在70多岁高龄的年纪，韦伯还要自己搬运设备、拧螺丝、打扫实验室等，一个人完成各种琐碎的日常实验工作。一直到韦伯去世，他在马里兰大学的实验室才正式关闭。

另一方面，韦伯探测引力波实验主要采用的是共振棒技术，撇开激光干涉技术不谈，仅就共振棒技术而言，实验进行了多次升级和改造。在韦伯之后，探测引力波实验的共振棒技术主要从如下三方面来寻求突破：

一、光学传感读出系统

利用光学技术对共振棒的机械振动进行读出的想法，最早是由德雷弗在1977年首先提出的。基本思想是把一个加工精细的法布里-珀罗腔接到共振传感器的共振体上，共振棒的机械振动改变腔的长度，这种长度变化可能携带引力波信号，利用光电器件可以用很高的灵敏度把它转换成电信号。1986年，库拉金（V.Kulagin）从理论上对这种思想的可行性进行了论证。1988年，理查德（J.Richard）等进行了更详细的计算，并于1992年设计了一个完整的系统。1995年该系统建成，随后进行了性能测试。由罗提（L.Louti）等建成的光学机械传感器读出系统是由激光器、两个法布里-珀罗腔、分光镜、光隔离器、光纤、透镜、光电二极管等部件组成的。从激光器来的一束稳频激光通过光路进入分光镜，一部分反射到法布里-珀罗腔内，这个法布里-珀罗腔与共振传感器小质量振动体相连，称为探测腔。通过共振棒的机械振动，改变腔的长度，使腔内激光的相位随之变化，把机械振动信号转变为光信号，激光束的另一部分透过分光镜进入一个长度固定的法布里-珀罗腔，此腔不与共振棒相连，称为参考腔。它所输出的激光的相位不发生变化，将两个光束进行比较，并通过光电二极管将相位差引起的光强度的变化转变为电信号。这个信号是由棒的机械振动所导致的，由于光在探测腔内的多次反射与叠加作用，光学机械传感器大大提高了共振棒引力波探测器的灵敏度，并能使频带宽度从1Hz提高到10Hz。

二、球形共振质量引力波探测器

球形共振质量引力波探测器的想法是在1976年提出的，作为共振棒探测器的升级版，它有如下特点：

一是对于直径与半场相等的共振球来说，如果物质是相同的，它与引力波的相互作用截面要比共振棒高20倍。

二是一个共振球可以具有5个同一频率的共振模式，因此，它的探测是全方位的。可以用来探测引力波的方向和极化。分开适当距离的两个共振球可以代替多个被分开的共振棒，组成一个“引力波观测站”，适当选择两个共振球间的距离，或将共振球安放在激光干涉引力波探测器旁边，可以更有利于寻找随机背景引力辐射。

三是在共振球中，第二级四极矩共振模式的截面和第一级一样大，这个特点可以用来探测中子双星的最后合并，因为合并时发出的引力波相继激发这两种共振模式。一个共振球如果装上达到量子极限的共振传感器，探测距离可达到或超过100百万秒差距（Mpc），在这个距离上每年有望探测到几个黑洞—黑洞合并事件。

球形共振质量引力波探测器的工作原理与共振棒引力波探测器是相似的，这个方案在理论上是很先进的，但技术上要复杂得多，最终没有实现。

四是共振棒引力波探测器国际网的建立。由于引力波信号非常微弱，所以就很难将噪声与真信号区分开来。但是如果在世界上的不同地点建造多个共振棒引力波探测器的话，就可以对引力波信号进行复合测量。这样就能更好地确定引力波源的位置，探索波源的结构和性质。因此，对于探测引力波实验的共振技术来说，建立一个跨国际的引力波探测网是非常必要的。

于是，1997年7月4日，在D.布莱尔（D.Blair）、M.切尔多尼奥（M.Cerdonio）、W.汉密尔顿（W.Hamiton）、W.约翰逊（W.Johnson）、G.帕洛蒂诺（G.Pallottino）、G.皮泽拉（G.Pizzella）、M.托瓦尔（M.Tobar）和S.维塔莱（S.Vitale）的倡议下，国际引力波事例合作组织（IGEC，International Gravitational Event Collaboration）宣告成立共振棒引力波探测器，国际网初步形成。当前参加国际引力波事例合作组织（IGEC）的主要有5个探测器，它们分别是：位于美国路易斯安那州巴吞鲁日的ALLEGRO（快乐的乐章），位于意大利帕杜瓦附近的AURIGA（御夫座），位于瑞士日内瓦的EXPLORER（探险者），位于意大利弗拉斯卡蒂的NAUTILUS（鹦鹉螺）和位于澳大利亚帕斯附近的NOBIE（尼俄伯），它们的基本参数如表2.2所列。

然而，尽管经历了技术的提升、设备的改造，但是到21世纪初，除韦伯之外没有一个共振棒引力波探测器实验室宣称再次探测到引力波信号。于是，这些共振棒引力波探测器最终相继关闭。至此，探测引力波实验的共振棒技术被彻底废止，探测引力波实验的共振棒时代宣告结束。此后，探测引力波实验变成了激光干涉技术为唯一技术路径的科学实验。

对于传统的科学观，特别是自逻辑实证主义以来的自然科学观而言，自然科学是建立在实验证据、理性基础上的。经由实验，知识被合理地制造出来。而我们对实验的判定就是以实验结果的可复制性为标准的——当实验结果被其他实验室有效地复制出来，我们就认为实验结果是可靠的，实验是成功的。但是，韦伯实验的问题恰恰在于韦伯成功地得到了实验结果，而这一结果却是不可复制的。那么，是韦伯的实验出了问题，还是实验标准出了问题？从韦伯与其反对者的争论来看，除韦伯之外，其他实验室均无法复制韦伯的探测引力波实验；然而，我们也应该看到，事实上对韦伯的批评者而言，没有一个实验是严格地复制韦伯的实验的，他们或多或少都对实验进行了改动。那么，如何去理解“复制”科学实验的含义？又该如何对科学事实的合理性进行判定？围绕上述问题，科学哲学针对上述问题所涉及的“实验者的回归”论题，进一步引发了认识论上的讨论。 zm+axIgsaK6zD7/fMXXKy5J7rckJyN6YzUbEez/WySgryLZlVa1Lf1Cvo1k0jTXo