Prototypes
加州理工学院的校园里有一幢特殊的建筑物，从某个角度看，它的外形与拖车非常相似。这幢装有加州理工学院引力波探测器原型机的建筑应该是工程服务中央大楼的附楼，人们给它取了一个口语化的名字——“40米”。唯一通向“40米”入口的是一条小路，一点儿也不起眼。即使手上拿着苹果手机，借助它的精准的GPS（全球定位系统）软件，要找到这幢建筑也不是一件容易的事。电子地图令人摸不着头脑，它指示的位置既不在街道上，也不完全在校园的范围内。结果，我走过了一块工业用地，又走过了那条不显眼的小路。
在走过了100码[1] 之后，一直在闪烁着提示我当前所在位置坐标的手机响了。从电话传来的声音中，我听出杰米有点儿伤心。是啊，他辛辛苦苦地为我标注地图，但我还是找不到“40米”。“往回走，”他假装生气地说，“我来接你。”于是，我转过身往回走。
杰米·罗林斯是雷纳·韦斯以前的研究生，近些年来一直在从事40米原型机的研发工作。我们往回走了没多远，就看到装货区外面停着一辆拖车。我用手指着车门，露出一脸疑惑的表情。他也表现得很困惑：“我给过你地图了啊？”
一扇门代表一道门槛，说明我们从这里就可以进入这个临时性的建筑物。它其实算不上一幢建筑物，而是30年前草草搭建、为实验与研发活动遮风挡雨的一个临时性场所。没错，实验的核心操作主要是在一辆拖车里完成的。但是，实验室需要沿相互垂直的两个方向，安装40米长的管道。因此，任何与卡车大小相仿的设施都不可能满足这个条件。我没有参观它的外围，但是很明显，拖车的前面还连接着其他结构。人们就是躲在这个普普通通的单层建筑里，辛勤工作了几十年。现在，他们的劳动终于要出成果了。在下文中，我会想方设法地把他们的这项成果介绍给你们，因为这是一项值得花笔墨去介绍的成果。迈过这道门槛，进入拖车内部，就可以了解实验的具体情况。这项实验的目的是，通过发现不到探测器长度的十万亿分之一的空间变化，来证明引力波的存在。
比例关系在极小与极大之间不断变换。信号非常微弱，但是信号源体积庞大；敏感度极其微妙，但是成功的回报特别丰厚；人类了解宇宙的雄心就像史诗遥不可及，但是天文学上的成就却像史诗那样荡气回肠。
这幢建筑与这台40米原型机不属于任何一个人，团队中的任何人都不是不可或缺的。在一点一滴地组建起来之后，随着科研人员的更替，团队又经历了重组的过程。但是，无论站在机器后面的人是谁，这台机器都没有停止工作。许多学生在这片狭小的空间里学习成长，多年来“40米”实验室也更换了几任负责人。机器里的每一个零部件都经过了一系列程序，包括设计、审核、制造、测试、改进、记录、分析等，之后才与其他部分有机地结合为一体。即使是最有创造性的零部件也必须通过实施、剖析、讨论和重新构建等环节，才会在两台全尺寸的LIGO探测器（既不在加州理工学院，也不在麻省理工学院）上安装使用。在安装时，还要按比例放大所有零部件的尺寸，并重新调试。所有的体力劳动都必须按部就班地完成，在这个过程中，实验人员养成了足够的耐心，每一步都不急不躁、目标明确、立足长远。在这台原型机前忙碌时，他们并不像太空站里的工作人员那样动作缓慢，而是步伐稳健、从容不迫。有时候，实验室里几乎空无一人，因为人们都挤在控制室里，监控探测器的运行情况。
进入加州理工学院“40米”实验室后，杰米扔给我一副护目镜，他自己也戴上了一副。他的护目镜与他的近视眼镜非常相似。我们套上纸鞋套，防止鞋上的尘土弄脏实验室的地板。鞋套只有两个尺码——一个是特大号，一个是小号——杰米示意我拿一双小号的鞋套。戴上护目镜、穿好鞋套后，我们经由一条狭窄的过道穿过一个房间，房间里有两名研究生，还有两名弯着腰坐在计算机前面的博士后。然后，我们又穿过一间狭小的控制室，那里有几台连接着光学仪器的黑白监视器。最后，我们打开一道双开式弹簧门，进入摆放着探测器原型机的房间。门楣上、门上和门的两边都贴有一些标识。直觉告诉我，这些都是危险警示标识，但是我不知道它们的具体内容。几周后，我给杰米写了封信，请他告诉我那些标识到底是什么意思。他在回信中说：
危险
闲人免进
激光
……
这些标识可以起到很好的警示作用，防止人们随意闯进实验室。实验室既像瓷器店，又像工厂，因此在入口处需要用标识提醒人们小心谨慎，服从管理。从装鞋套的篮子到实验室的双开式弹簧门有一小段距离。走完这段路程，鞋套底部会沾上尘土。为此，他们在实验室门口的地板上放置了透明胶带，胶带可以消除鞋套底部的尘土。这样，实验室就更加洁净了。
实验物理学的实验室可能与我们之前进入的任何房间都不同。这里的灯光不会考虑美学效果，个个都非常明亮，甚至很刺眼。机器的“嗡嗡”声不绝于耳，有的时候听不到发动机的轰鸣声，而只能听到计算机设备的电扇发出的微弱声音。这里从不使用任何专门定制的吸音材料，机器的声音清晰可辨，仿佛某个后工业时代的实验性管弦乐队在演奏。
室内有两条不锈钢管道，各长40米，直径约为半米，相互垂直成L形，实验人员把它们称作干涉臂。干涉臂的某些部位连接着电线，旁边有非常狭小的空间，供人们通行。待在实验室里，护目镜不断地从我的鼻梁上滑落，这让我感到有点儿焦躁。
我问杰米：“这些护目镜的滤光效果怎么样？”我想也许没必要戴它吧。
“效果非常好。哪怕只有一个光子从激光束中逸出，进入房间，再进入你的眼睛，你就彻底完蛋了。（我确信杰米有点儿言过其实。）一定要戴好护目镜。我们把真空的光学室搬到了大气中。一整个星期，我一直跟这台机器待在一起。工作压力太大了。”
在接下来的参观过程中，我一直用一只手将护目镜牢牢地固定在我的脸上。
20世纪80年代初，德雷弗倾其所有，帮助加州理工学院建造这台40米原型机。他曾经认为这台40米原型机是他自己的，他还说过，“我以为我们已经达成共识了。”但是，其他人并不这样看。
德雷弗从未考虑过探测器的所有权问题，他认为探测器不属于雷纳或者其他任何人。公平地说，雷纳也没有动过这样的念头。雷纳毫不犹豫地指出，只要认真研究一下历史，就会发现他不是第一个想到利用激光干涉仪来探测引力波的人。早在20世纪70年代，“就有一个美国人在从事这方面的研究。我了解他的一些情况，他是韦伯的学生，名叫鲍勃·富沃德……当时，他正在思考这个问题。你瞧，这……不是我一个人的想法，其他人也有类似的想法。”
1997年，德雷弗在几次访谈中都说过，“有一个名叫鲍勃·富沃德的家伙，也在从事相关研究”。当时，富沃德在马利布市的休斯飞机公司工作。在他的劝说之下，公司同意他建造引力波探测器。
雷纳回忆说：“我与一个家伙讨论过这个想法，那个家伙又把它透露给富沃德。富沃德声称这个灵感来源于我，是一个名叫菲尔·查普曼的家伙告诉他的。我认为他的说法不准确，因为这个想法其实源自韦伯，韦伯也曾经考虑利用激光干涉仪来探测引力波。
“事实上，我们是后来才知道这个了不起的想法的。基普做过一些调查研究，发现早在我之前，莫斯科国立大学就有两个苏联人（格森施泰因和普斯托瓦伊特），已经在苏联的《实验与理论物理学杂志》上公开发表了这个想法。我当时不知道这件事，也不知道他们的姓名。不过，这两个人的名字现在经常出现在我们的论文里。他们有一个不太成熟的想法——利用光来精确测量距离。这个想法与鲍勃·富沃德以及韦伯的想法不谋而合。就这样，探测器实验在不同的地方分别展开。我的贡献是完成了噪声分析，从而确定了这个想法是切实可行的。我觉得这也是一项比较重要的工作，我这样说并不是故作谦虚。”
雷纳还解释了他当时的一些想法：“实验尚未完成，仅有一个初步的想法，在这种情况下，你一般是不会将它公之于众的。但是，我的内心有个声音说，要把这个想法用某种形式展示出来，于是我把它写进了季度进展报告……那是一份内容十分丰富的长篇报告。然后，我就再也没有公开发表任何内容了。事实上，那份报告为整个实验奠定了基础。”
基普也主动谈到了雷纳所完成的噪声分析的重要性。这里的噪声是指使机器发出声音的所有因素，包括路上行驶的车辆、地震和激光的量子涨落等。基普评价那份季度报告是一个“壮举”。格森施泰因和普斯托瓦伊特的论文是用俄语写的，文章清楚地介绍了他们的基本思想，但没有评估噪声的影响，也没有评估可行性。基普强调：“把这个想法变成现实的人是雷纳。雷纳明确了早期的引力波探测器必将面对的所有主要的噪声源，并设计了若干应对措施。此外，他还利用一台具备这些应对措施的机器进行了噪声分析。雷纳对自己的这项工作的肯定并不足以说明它的重要性，现在回过头看，这绝对是一个了不起的壮举。”
雷纳告诉我：“我之所以没有公开发表论文，是因为这仅仅是一个想法。我现在仍然坚持这个观点。我还不具备发表论文的条件，但是我希望有一天可以发表论文。这是我需要解决的麻烦，从哲学的角度看，这个问题非常重要。我不知道你怎么看待这个问题，但是有一个想法与将这个想法付诸实施是两件截然不同的事。有的人有了一个想法之后，就会在杂志上公开发表。他们成为这个想法的拥有者，但是他们没有花一点儿力气把这个想法变成现实。对于这样的人，我十分反感，因为他们没有付出任何艰辛的劳动。有资格享有荣誉、公开发表论文的，应该是把想法变成现实的那个人。”
20世纪70年代，罗纳德·德雷弗打了一个法律的“擦边球”，通过放大微缩胶卷副本的方式，得到了雷纳在麻省理工学院内部发表的那份季度进展报告。英国团队有过一些疯狂的想法，其中就包括激光，但是德雷弗不确定他们的想法从何而来——这是他们灵光乍现的产物，还是来源于德国人的创意或者是雷纳的报告。格拉斯哥团队的研究经费非常少，而激光的费用似乎高得离谱儿。仅激光器的成本就接近一万英镑，这个价格似乎太高了，足以让他们改变研究方向，多耗费几年时光。德雷弗看过雷纳呈交美国国家科学基金会的报告，他也非常支持这个项目。德国的比林斯也迅速展开了探测器研究，他们之前放弃的某些想法就涉及激光，但是雷纳的报告促使他们将想法付诸行动。
德雷弗在20世纪70年代结识富沃德，在此之前，他已经花了两年时间思考探测器技术了，格拉斯哥团队也已经开始进行实验了。由于不确定利用激光干涉仪探测引力波的想法最初源自何人，德雷弗含糊其辞地指出激光干涉仪是人们普遍使用的一种机器。但他认为，让激光在干涉臂中多次往复运动可以显著地提高机器灵敏度的观点，是雷纳的一个重要发现。德雷弗为这项技术找到了另外一个版本——法布里–珀罗干涉仪，因为它的成本要低得多。德雷弗不无嫉妒地承认，与他的团队展开友好竞争的德国团队，似乎在获取资金、寻求支持等方面都占有优势。利用法布里–珀罗干涉仪，他可以挽回一点儿颓势。在民主德国耶拿市举行的一次会议上，他介绍了这个想法。当时，民主德国还没有摆脱“冷战”铁幕的禁锢。德雷弗回忆道：“我坐在公共汽车上，穿过铁幕和层层防线，再加上亲眼看见民主德国人民远比联邦德国贫穷、落后的生活，我的心情久久不能平静。”
从这些早期活动开始，随着几十年来各个研究团队不断做出贡献，引力波探测器的复杂程度日益提高。之前，我只见过非常简单的探测器线条画。用线条画来表现真实的探测器，就如同通过刽子手的眼睛来了解人类的生物特征。真实的探测器是一种物质表现形式，代表的是几十年的研究、突破、调整和大量的基础性工作。我永远无法攀登到这样的高度。在这些勇士穿着登山鞋、带着冰锥和各种工具攀登科学高峰的时候，我只能与其他戴眼镜的学者一起待在山脚下，一边高谈阔论、出谋划策，一边为他们的成就大声欢呼。在这里，我们可以感受到理论学者对实验人员的羡慕之情，因为后者从事的是实实在在的研究活动。
我站在加州理工学院的“40米”实验室中，看着眼前的探测器示意图。这幅图非常详细，就像海报一样，沿着其中一条干涉臂被张贴在实验室的墙壁上。从这幅专业人员绘制的平面图上，我可以清楚地看到探测器原型机的复杂结构。在我之前看过的草图中，激光在机器内部运动的轨迹被（不准确地）表示成一个简单的环路，而在这幅图里，我看到的是远远超出我的想象、相互交叉的线条。这幅示意图太复杂了，我根本看不明白。我想给这幅图拍张照片，便于以后仔细研究，但随后我又放弃了这个想法。加入LIGO科学合作组织的人，都需要签署一份谅解备忘录，以法律的形式承诺自己的行为不会辜负该组织的期望。我没有签署谅解备忘录，因此我不确定哪些行为是被允许的，哪些行为是不被允许的。
“我不是LIGO科学合作组织的正式成员，你们为什么同意我看这些东西呢？”
杰米笑了，用手肘轻轻地捅了我一下：“难道你回家后也准备建造一台探测器？”
如果有人想自己建造一台探测器，那么他需要完成以下工作。第一，寻找一个不会发生地震的地方。第二，建造两个相互垂直成L形的管道，越长越好。当有引力波经过时，干涉臂就会发生极其微小的伸展、收缩变化。可探测的引力波强度取决于被称为干涉臂的两根管道的长度。通常，引力波可以使干涉臂的长度发生十万亿分之一的变化。如果干涉臂过短，其探测引力波的灵敏程度就会降低，可能无法发现长度上的微小变化。
第三，在L形管道的拐角处，放置一台大功率的高能激光器，将激光发射至分光器。顾名思义，分光器的作用就是将激光分成两束，一束激光进入其中一条干涉臂，另一束激光进入另一条干涉臂。然后，抽空管道里的空气、致污物和所有颗粒状物质。这一步非常重要，可以确保激光畅通无阻地从空无一物的管道中通过。让管道实现真空是一个大难题。管道中不能有空气，否则就会散射、吸收激光，从而影响激光的运动。激光在全尺寸探测器内运动整条臂的距离大约需要十万分之一秒的时间。
第四，选用尽可能细的绳索，把光滑平整的反射镜悬挂在干涉臂的末端。以这种方式悬挂的反射镜，可以做自由度非常高的横向运动。空间一旦发生振荡，反射镜就会“随波逐流”，沿着管道的方向自由摆动。
第五，利用这些做工精致的镜面的反射作用，让激光沿干涉臂原路返回，并且在起点处汇合，此时，从一条干涉臂返回的激光将与从另一条干涉臂返回的激光在分光器处发生干涉。如果两束激光的传播距离正好相等，那么它们在干涉图样的亮斑处就会完全重合，在暗斑处则相互抵消。如果一条干涉臂的长度稍有缩短，而另一条干涉臂的长度略有增加，那么两束激光的传播距离就不会相等。在它们重新汇合时，干涉图样可以记录下两束激光在传播距离上的微小差值：大约是质子直径的千分之一。换算成传播时间，就是1027 分之一秒。做到这一步之后，你的探测器就可以投入使用了。
重复上述步骤，因为你至少需要两台探测器。第二台探测器必须远离第一台。第二台探测器的作用不仅在于确认第一台的探测结果是正确的，而不是空欢喜一场，它还要确定引力波的位置。在地球上使用两台探测器，与每个人长着两只耳朵有异曲同工之妙。
也就是说，我们可以参考草图，建造L形管道，把它们抽成真空状态，发射激光，挂上几面镜子，让激光汇合，观测激光的干涉图样，就可以探测到引力波了。这真是太简单了。
几乎可以肯定的是，你会认为这个实验非常简单。刚开始的时候，雷纳·韦斯的想法确实非常简单：让镜子自由地悬浮在空中，使之可以随着引力波晃动；然后，在这些镜子的周围建造一个探测器。不久前的一天，雷纳气急败坏地从一个LIGO探测器的主实验室走了出来，嘴里还说着一些难听的话。当时，他们正在安装高新激光干涉仪。在场的一位同事不知道自己是否应该说些什么，就随口问了一句：“进展如何，雷纳？”
“该死，这台机器太复杂了！”雷纳头也没回地边走边大声喊道，“真是太复杂了！”
[1] 1码≈0.9米。——编者注