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《引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图”》第7章 蓝皮书与三巨头

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The Troika

学术批评的道德伦理标准可能大同小异。即使受到批判的是某个特定组织独有的成果,情况亦如此。对于科学界而言,犯错实际上就是犯罪。可验证性是所有科研活动的根本准则。你宣布在实验中探测到了引力波,但是,全世界的许多科学家利用相同的设备做实验却一无所获。这种虚报成果的行为不仅会让你一无所获,还会让你名誉扫地。韦伯肯定相信自己对数据的统计分析是正确的,我也认为韦伯不会故意歪曲实验结果,甚至大多数人都会同意我的观点,然而,并非没有人持相反的观点。

在韦伯棒实验失败之后,了解情况的雷纳·韦斯、基普·索恩和罗纳德·德雷弗都有足够的理由远离这个泥潭,以免玷污自己在科学界一向洁身自好的形象。但是,这三个人都没有退缩。他们各自独立思考了这件事的前因后果,不谋而合地认为韦伯为他们指出了一条光明大道。罗纳德在花了一些时间考虑地理方面的因素之后,决定开始研究激光干涉仪。雷纳在不经意间知道了激光干涉仪之后,就立刻被它吸引了。基普在踏上激光干涉仪研究的征程之前,先是有条不紊地收集实验人员的建议。

基普在他的著作《黑洞与时空弯曲》(Black Holes and Time Warps )中引用了爱因斯坦的一段话:“在黑暗中默默探索的岁月里,真理似乎唾手可得但又无以言表的感觉,让我们萌生强烈的探求渴望,让我们忍受自信与疑虑的交替折磨,直至最后我们拨云见日,一切豁然开朗。但是,其中的酸甜苦辣没有亲身经历过的人是无法体会的。”韦伯一夜之间声名鹊起,随后又名誉扫地,一喜一悲的大起大落,肯定也令这些真理探索者深感不安。因此,众多实验科学家放弃了这个领域。就整个科学界而言,人们肯定不愿意掏出真金白银,投资研发那些吃力不讨好的新技术设备。风险规避意识已经深入人心。韦伯棒至少不需要大笔投资,但如果建造激光干涉仪,仅用地板胶垫和苏格兰汽修厂的备用蓄电池,显然是不够的。在众多科学家的眼中,引力波的探测工作已经无疾而终了。

但是,基普、罗纳德和雷纳在“强烈探求渴望”的驱使之下,希望可以继续这项艰苦的工作,探求“似乎唾手可得但又无以言表的真理”。他们辛勤耕耘、“在黑暗中默默探索的岁月”远远超出了他们的预期。他们不停地努力,以期实现“拨云见日,一切豁然开朗”的重大突破。虽然韦伯的经历可能会让他们名声受累,给他们带来种种阻碍,但他们认为这不过是科研活动的一个不可避免的部分。他们已经全身心投入其中,其他团队的竞争只会驱使他们更加努力,通向巅峰的那条路是他们眼中看到的唯一前进方向。

在罗纳德·德雷弗和斯坦利·惠特科姆在加州理工学院建造那台40米原型机的同时,雷纳也确定了自己的研究方向。此时,他已经完成了大量的理论研究工作,而且得到了基普的大力支持。尽管加州理工学院团队与麻省理工学院团队之间保持着畅通无阻的交流与沟通,但是雷纳与罗纳德的原型机大不相同,某些基础性技术的思路也截然不同。至少在罗纳德的眼中,他和雷纳在某种程度上存在着竞争。刚开始时,雷纳给罗纳德留下了深刻的印象。罗纳德说:“从一开始,他就安装了大量的部件,包括真空管、激光器等。所有主要部件,很早就已经准备好了。但是,让我感到奇怪的是……多少年过去了,他似乎再无进展。”遗憾的是,他说这番话时的腔调以及抑扬顿挫的苏格兰口音,都无法在这里表现出来。

雷纳手上的资金不足,得到的支持也不多。他回忆说:“当时,我竭力向系里解释我为什么要探测引力波。我告诉他们,我的动机之一是寻找黑洞。可是,他们说黑洞根本不存在,让我不要再提这件事。这一幕至今还清晰地留在我的记忆中。

“麻省理工学院没有成为LIGO项目的启动地点,这是一个非常重要的原因。麻省理工学院的一些教授是我的朋友,虽然他们没有旗帜鲜明地反对我的这个项目,但是一些有影响力的人坚持认为,所有可以证明黑洞存在的证据,在黑洞不存在的情况下也可以得到合理解释。这种观点彻底破坏了那里的引力波研究氛围,麻省理工学院再也不是现代万有引力研究的有利环境了。”

雷纳的第一批以引力波作为毕业论文题目的学生遭到了论文答辩委员会的刁难。这些学生建造的1.5米原型机的灵敏度不高,绝不可能捕捉到真的从太空中传来的声音。即使太阳爆炸,这些机器也不会有反应。论文答辩委员会的一位成员挖苦他们说:”我们直接看看窗外,效果也比这些机器好。”直到现在,雷纳仍然对此耿耿于怀,总会咬牙切齿地说一句“真没眼光”。在这些原型机的制造技术以及用于理解假设数据的前瞻性算法中,融入了这些学生的大量奇思妙想。一名学生想要探测正在发生爆炸的恒星,还有一名学生希望能观测到黑洞碰撞的过程。的确,机器的灵敏程度与探测到这些声源的真正要求之间相距甚远,但是他们的努力已经为未来的研究工作绘制了一幅蓝图。雷纳说:“孩子们深入思考的一个问题仍然是:要在物理学上取得杰出成就,路到底在何方?”雷纳和他的学生们没有取得可以公开发布的科研成果,在天体物理学领域,他们还没有任何发言权。

雷纳一直认为,要确保激光干涉仪发挥探测作用,它的体积就不能太小。他非常清楚那些以噪声形式表现出来的物理限制。学生们纷纷想出各种办法,尽量降低背景噪声,为真实信号抗衡背景噪声创造条件。但是,与他们所期待的来自太空的声音相比,噪声的强度仍然要高出成千上万倍,甚至几百万倍。每次检查探测器的可靠性,它的投影比例尺就会随之增加。雷纳知道,他再也不会建造新的原型机了,因为他希望从事的是科学研究。他努力压抑自己的本能,却被迫走上了一条不愿意走的道路。根据亲身体验,他知道大型项目往往意味着徒劳无功的努力、无穷无尽的麻烦,以及让人抓狂的管理难题。但是,科学研究却要求他完成一个大项目。他需要建造的不是1.5米原型机,也不是3米原型机,甚至不是40米原型机,而是一台巨大的机器。他唯一的可行性选择是建造一台千米级的机器。雷纳说道:“我不喜欢大科学。但是,要做这个实验的话,就必须大兴土木。这是继续这个项目的唯一方法,是科研活动提出的要求。如果你说你可以用一台小型机器来完成这个项目,那你一定在吹牛。”

到1979年年底,雷纳已经和他的原型机共度大概10年的光阴了。10年来,这台机器已经被他用到了极致。他决定前往华盛顿,说服美国国家科学基金会万有引力物理学项目的负责人里奇·艾萨克森。很多人认为,引力波项目之所以能够维持下去,应该全部归功于艾萨克森一个人。基金会已经拨付了几笔数额不太庞大的资金,用于支持探测器的更新换代。加州理工学院的罗纳德得到了一些资金,麻省理工学院的雷纳也获得了一些,不过金额不及罗纳德。扩大规模的工作令雷纳畏惧不已。在他的那间小实验室里,所有的东西都可以通过手工方式制作出来,而规模扩张需要耗费大量的财力和时间。但是,引力波探测器实验需要在一个遥远的地方辟出一大片地,还需要建造一台复杂得多的机器。无论从哪个方面看,规模都不会很小。因此,雷纳必须与美国国家科学基金会共同探讨这项工作。

项目负责人里奇·艾萨克森“为人诚实,简直就是我们的救世主。里奇·艾萨克森为什么会拯救我们呢?因为他本人研究的也是这个领域。”艾萨克森通过规范可信的计算,证明了时空振荡的能量会以引力波的形式向外传播,而且他是第一批完成证明的人。艾萨克森在科研上投入了大量的精力和财力。作为美国国家科学基金会的项目负责人,他希望基金会能接受这个有价值但也有风险的项目,因为其他机构和组织都不会在这个领域宣示主权。万有引力这门学科不属于美国能源部、国防部,甚至NASA的管辖范围。艾萨克森认为,这是美国国家科学基金会独立描绘美好蓝图的有利时机。引力波天文学记录的是望远镜中看不到的宇宙,这是天文学的一个前景光明的全新分支。引力波的探测有风险,富有争议性,从技术上来讲是一个几乎无法完成的任务,但它能为我们开辟一条非同寻常的道路,为更有价值的研究奠定基础。

艾萨克森和雷纳经常去距离雷纳家不远的瓦尔登湖边散步。一个是手握大笔科研经费的项目负责人,一个是需要资金支持的项目负责人,两人一起款步而行,友好地探讨问题,偶尔也会意见不合。这一幕仿佛在告诉人们,不仅知识难以掌握,生活同样充满变数。不过,这一次是雷纳前往华盛顿,与艾萨克森会合。我不确定他们有没有选择惯常的相处方式,在美国国家科学基金会总部大楼附近的某个地方散步,抑或是坐在桌边正式地交谈。但是,我可以想象,他们可能会在华盛顿特区找到一个类似瓦尔登湖的地方,作为交谈的场所。这两个人喜欢在空旷的场所散步,似乎是因为他们知道特工更容易监视敌方间谍的室内活动。雷纳介绍了他制造原型机的整个过程,以及他遭遇的一些内在限制条件和科研界的抵制态度。尽管艾萨克森对于这项研究的科研潜力非常感兴趣,但他面对的阻碍也非常大。项目的成本尚无法确定,但是根据粗略的估算,所需资金与天文学领域的全部科研预算相差无几,仅这一项就已经让他“目瞪口呆”了。此外,一位科学家犯下的错误导致这个领域里其他科学家的观点发生了变化。对于韦伯留下来的烂摊子,美国国家科学基金会必然不愿意接手。

雷纳解释道:“我在马里兰大学的时候,经常去韦伯的实验室。我们只是一般朋友的关系。但是,我认为约瑟夫·韦伯值得赞扬,时至今日,我仍然会肯定地告诉他的妻子:韦伯开辟了一个新的领域,他配得上这份荣誉。他富有想象力,但他不是一名优秀的实验人员。毫无疑问,后来者都因为他的错误吃尽了苦头。

“对这些后来者而言,韦伯犯下的错误的确是非常严重的麻烦,不是吗?”(不过,艾萨克森也表明,由于人们不断旧事重提,因此韦伯的这段往事的负面影响被夸大了。事实上,在当年他们形成决策的过程中,这件事的制约作用并没有那么大。)雷纳对艾萨克森说,“现在,如果它还得不到改进,不能用于真正的科研活动,我就真的坚持不下去了。”

雷纳提出,他将与行业伙伴合作开展全面研究,以确定是否可以建造出一台科学、可靠的探测器,并且算出需要投入的成本。这已经不再是科学研究,而是一项行业性研究了。如果研究可以得出令人信服的结果,全尺寸探测器也可以变成现实,艾萨克森就可以把它作为一个新的大型科研项目给予资金支持。如果前景光明,雷纳只需振臂一呼,就会应者云集,因为引力波探测的前景仍然令全世界的科学家激动不已。雷纳说:“我向艾萨克森保证,我会让那些科学家聚集到我的周围的。”

即使研究结果不那么理想,他们也不会放弃,至少雷纳会坚持下去。我能想象他们在达成一致意见之后热情握手的情景。

雷纳和他的麻省理工团队为这项被称为“蓝皮书”的研究投入了三年时光,就在他们准备将研究结果提交给美国国家科学基金会的时候,雷纳在意大利的一场关于广义相对论的会议上遇到了基普和罗纳德。雷纳回忆说:“那次开会,我是带着我儿子一起去的,那也是我第一次带我儿子参加这类活动。那时候,他十三四岁。我记得参加会议的有德国团队、苏格兰团队、罗纳德团队,还有基普。我和他们聚在一起,询问他们是否愿意在这项研究接近尾声的时候加入进来。

“就这样,我的儿子本杰明在我的介绍下认识了基普和罗纳德。我把‘蓝皮书’计划告诉了他们。在那之前,基普一直在劝我:‘哎呀,为什么要把这些东西搞得尽人皆知呢?那些没事就泡酒吧的人是不会感兴趣的,真正感兴趣的是我们这些人。’他希望只由加州理工学院和麻省理工学院合作开展这项研究,而不希望其他大学插手。在这个问题上,我的立场不是很坚定,于是我接受了他的建议。我非常尊重基普,也许这就是我赞同他的部分原因。直到现在,我对基普仍然充满了敬重。他提出建议,我觉得理应如此,大概就是这么一回事吧。在一定程度上,这可能与我和基普的私交有关。

“我以前根本不认识罗纳德·德雷弗,也不知道他是多么难以捉摸。直到那天晚上在宾馆相遇,我才意识到我面对的绝对是一个疯狂的家伙。我不停地向他解释这个计划,告诉他我们应该合作。但他却一口回绝了:‘我来加州理工学院的目的不是与你合作,而是搞自己的研究。我为什么非得和你合作呢?’你看,这就是他的回答。这样的对话持续了几乎一整个晚上。坐在旁边的我的儿子听到这些,几乎无法相信自己的耳朵。基普不停地打断,试图让气氛缓和下来。后来,我儿子问我:‘你想干什么啊?这个家伙既然不想和你合作,你为什么要抓着他不放呢?’我回答说:‘这件事,他一个人做不了,我一个人也不行。这个项目太大了,我们必须合作。’

“这个问题直到最后也没有真正得到解决。不过,基普说服了我,他建议由加州理工学院和麻省理工学院共同提交一份报告。”(为了尊重事实,基普补充道:“从严格意义上讲,‘蓝皮书’是由麻省理工学院完成的,但是加州理工学院的斯坦利·惠特科姆也做出了少许贡献。”)

雷纳接着说道:“我们终于做了一次现场报告,我记得那是在1983年的10月。”

他告诉我:“我们在报告中介绍的那个想法可能要耗资7 000万美元,这是行业研究得出的数据。这么大一笔钱,真是吓死我了……我们有两个场地,但除此以外几乎一无所有。在这种情况下,基普用尽浑身解数,终于把罗纳德·德雷弗拉了进来。罗纳德不想跟别人合作,他希望独立做科研,所有的事都由他自己完成。但是,基普告诉他,光凭他一个人是无法完成这个项目的,尽管基普也不太清楚‘大科学’应该怎么搞。

“从此以后,麻烦就接踵而至。我和基普在这个问题上的观点是不一致的。我认为罗纳德加入之后,整个情况都会发生改变。我知道仅凭一个机构的力量是无法完成这个项目的,我必须让基普相信,情况确实如此……然而当时,基普的态度就像被迫接受了一场婚姻。我知道,这样的‘婚配’是不可避免的,任何相反的想法都是荒谬、行不通的。最后,美国国家科学基金会也接受了这样的安排,他们已经等了很长时间了。

“很多人都有一个得诺贝尔奖的梦想,说真心话,这是这个领域的一大问题。是的,我认为这是一个不容忽视的问题。在我看来,罗纳德·德雷弗难以相处,这就是原因之一。在华盛顿的时候,我跟他说过一次,但是他拒不承认。此外,美国国家科学基金会也经常宣扬,诺贝尔奖是我们应该追求的目标之一。如果我们真的能拿到诺贝尔奖,我们就将开辟一个全新的领域,美国国家科学基金会也可与诺贝尔物理学奖挂上钩。对一个机构来说,这非常重要,我们就是处于这样的背景中。

“我们刚刚说到哪里了?对,我们达成了一个初步的约定,勉强把加州理工学院和麻省理工学院拉到了一起。其实这算不上加州理工学院和麻省理工学院之间的合作,而是我与罗纳德之间的合作。

“接下来,加州理工学院的人很快就会发现,麻省理工学院的研究进展非常缓慢。我的意思是,加州理工学院的动作非常快,而麻省理工学院却快不起来。

“接下来的情况是,麻省理工学院消极怠工,而加州理工学院迅速接手了这个项目。这让我感到非常恼火,你也许能理解我的心情。我对那些人的怒火一直没有平息。我指的不是加州理工学院的那些人,他们拯救了这个项目。让我怒火中烧的是麻省理工学院的那些人。”

(后来,雷纳又补充道:“我说的都是那时候的事,而不是现在。”麻省理工学院作为一个集体,在20世纪90年代中叶经历了管理层的更迭。之后,所有人的心态都发生了变化。“从那以后,麻省理工学院对这个项目的支持力度非常大。这一点十分重要。”)

罗纳德前往加州理工学院时,并没有考虑加州理工学院与麻省理工学院开展大规模合作这个背景因素。他认为,单凭他自己心灵手巧的优势,就可以建造出一台足以满足科研要求的小型激光干涉仪。雷纳的观点与罗纳德相悖,雷纳认为这不现实。但是,罗纳德不会轻言失败。基普对罗纳德的看法与雷纳一样:“他根本不属于我们这个世界。”他们的合作,将使这个项目不再是遥不可及的梦想。基普希望可以说服罗纳德,但是雷纳告诉他:“这个项目是一个金娃娃,已经被罗纳德抱在怀里了。”

说到雷纳,罗纳德忍不住抱怨道:“我觉得他试图强行插手我们正在开展的项目,而且他非常好胜……尽管我们之间的关系比较友好,但也会产生各种各样的矛盾。”他接着说道:“我说过,在这方面,雷纳·韦斯很早之前就有想法了。不过,他的实验规模一直非常小,进展缓慢,未来也不会太快。我觉得,我在加州理工学院从事这项工作的时候,我们制造的机器比雷纳·韦斯的原型机先进得多,在所有方面都更加优秀。雷纳取得的成果非常有限。从本质上看,他的激光干涉仪非常小,效果也不好。我认为,原因不在于机器的尺寸太小,而是设计不太合理。”(显然,雷纳并不同意罗纳德的这些观点。)

罗纳德听说“蓝皮书”计划之后,他震惊不已,也深感不安。他认为,在这些小问题得到解决之前,他们不应急于求成,投入数额惊人的资金,启动大规模项目。此外,他肯定还认为不应该由雷纳负责这个项目。罗纳德希望先建造中等规模的机器,然后按部就班地扩大规模,因此,雷纳希望建造巨型探测器的“野心”令罗纳德非常生气。但是,基普坚定地认为,如果仅为了满足研究需要而建造一系列中型探测器,而且每一台的灵敏程度都不能满足探测引力波的需要,那么他们绝不可能取得成功。因此,他认为直接建造大型激光干涉仪是有必要的。关于这个过程,人们众说纷纭、莫衷一是。一个比较权威的说法是:美国国家科学基金会直截了当地告诉罗纳德·德雷弗,要么开展合作,要么停止研究。后来,罗纳德与雷纳一样,多次跑到美国国家科学基金会游说,但是基金会没有改变主意。再次扩大机器的规模时,就必须保证它可以用于探测工作。只有合作才能为这样的大型项目提供资金,为它取得成功创造条件。因此,合作势在必行。

罗纳德非常恼火,对雷纳更加不满:“只要是我提出的想法,他几乎都会反对。他半路加入项目,却想换一个新的方式……此外,在我们开会时,雷纳总是提出各种各样稀奇古怪的计划,还制定了执行这些计划的时间表。这让我非常生气,我觉得他一心想掌控全局。但是,那些有效的技术都是我们研发的。因此,我不喜欢他这种做法。”接着,罗纳德又补充了一句,“那些想法和创意都是我提出来的。”

但是,雷纳在技术上对自己充满信心,因为那些技术都源于德国团队堪称典范的成果。德国人建造了世界上最好的探测器原型机,而且对它们了如指掌,实现了雷纳在1972年的季度进展报告中提出的模糊不清的预期目标。总之,雷纳认为德国人为他的“蓝皮书”计划提供了充足的理由。基普、雷纳与罗纳德在意大利广义相对论会议上发生不快时,麻省理工学院万有引力研究团队已经在雷纳的领导下,完成了这项行业研究。工程技术公司测试了组件,而且基本上完成了零部件的定价工作。对探测器的验查涉及所有方面,行业合作伙伴详细地询问了管道、构造、激光器及声源等的情况。经过3年时间,雷纳与麻省理工学院的同事彼得·索尔森、保罗·林赛一起,在419页的“蓝皮书”中对研究结果进行了综述,并做出了技术说明。1983年10月,这份关于“长基线激光干涉仪的研究报告”被提交给美国国家科学基金会。其中的预算还不到1亿美元,用于建造两台仅包含基础结构的千米级探测器。建造这两台机器时,这个预算方案是行不通的,因为实际成本要比预算高出几亿美元。不过,人们终于可以坐到一起讨论这个问题了。

“蓝皮书”的摘要部分指出,“人们也许期望这次研究可以得出肯定的结论,但是情况有可能出乎人们的意料。比如,基本概念可能有瑕疵,技术准备可能不充分,成本可能高到不可思议的程度。研究表明,人们担心的这些问题可能都不会发生。”

“蓝皮书”对于项目是否可以得到资金支持没有做出任何保证,这份行业研究报告本身也不具备申请报告的效用。但是,“蓝皮书”有力地证明了实验目标是可以实现的。

提交“蓝皮书”之后,雷纳、罗纳德和基普开始起草研发计划,直到几个月后他们才达成一致意见。随后,他们为美国国家科学基金会做了几场颇有说服力的现场报告。基普介绍了天体物理学的发展前景,希望可以激起美国国家科学基金会的兴趣;罗纳德化身为讲故事的高手,操着一口动听的苏格兰英语,为他们描绘了创造性的动人梦想;雷纳则用行业研究报告的具体结论为基普和罗纳德的想法进行了一个完美的诠释。就这样,他们成功地表达了他们的核心思想:他们可以完成这个项目,并建造出能记录来自太空中的声音的机器。

不久之后,这个项目被命名为“LIGO”。人们对这个名字的评价毁誉参半,而且无论是赞扬还是贬斥,人们针对的目标都是雷纳。基普想把它命名为“束流检测仪”,但是雷纳认为这个名字的科幻色彩太浓。后来,他在餐桌旁想出了一个新方案:用“Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory”(激光干涉引力波天文台)的首字母组合来命名。后来,“LIGO”中的“O”(天文台)给他们造成了巨大的痛苦,几乎让他们彻底崩溃。不过,这种痛苦直到几年后他们面对国会质询时才降临到他们身上。

雷纳放弃了那台1.5米原型机,又建造了一台5米原型机,以开发可以实际使用的零部件。这台原型机被放置在“夹板宫殿”的F翼,一直运行到“夹板宫殿”被拆除的那个星期。雷纳向我展示他从布鲁克林派拉蒙电影院淘回来的古董级奥特蓝星扬声器时,在那栋宛若蜂巢的办公大楼的隔壁,就有一台探测器。现在,探测器的构造已经非常庞大了。科学家们围着探测器,拆除老旧落后的零部件,代之以高新的零部件。

他们的合作没有任何正式的形式,但是雷纳说:“我们给外界的感觉是,我们三个人——基普、罗纳德和我——构成了一个团队。我们(最终)成了怪异的三巨头组合。”

基普告诉我:“这个过程其实复杂得多。”如果要更详细地介绍三巨头组合的形成过程,还需要追踪随后几年发生的事。1983年秋,这三个人承受的压力达到了顶点。基普评论道:“麻省理工学院与加州理工学院的合作是一个异常复杂、历尽艰辛的过程。”

在他们意义重大的合作历经发起、结盟与权力更迭的过程中,最重要的环节终于登场了!