從大學(xué)輟學(xué)生到發(fā)明引力波探測器——雷納·韋斯訪談錄

秦雪/編譯

從大學(xué)輟學(xué)生到發(fā)明引力波探測器——雷納·韋斯訪談錄

秦雪/編譯

大約50年前，雷納·韋斯（Rainer Weiss）就想到了探測引力波的辦法。引力波是愛因斯坦廣義相對論引力理論中所預(yù)測的無限小的時空漣漪。去年9月，關(guān)于引力波的預(yù)測終于夢想成真，1 000名物理學(xué)家通過激光干涉引力波天文臺（LIGO）分別位于路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的兩個巨大的探測器，終于在2015年9月檢測到了引力波：十億光年外兩個巨大黑洞碰撞時產(chǎn)生的脈沖波輻射。

周圍同事們猜測，麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)家韋斯有很大可能因這一發(fā)現(xiàn)而獲諾貝爾獎。如今已83歲的韋斯，一邊敏捷地開著他的銀色大眾甲殼蟲敞篷汽車，穿行在坎布里奇的交通車流中，一邊表示對此并不樂觀。關(guān)于韋斯，他的朋友們會告訴你他是怎樣的一個人：性情直率、風(fēng)趣幽默，最重要的是，任何妨礙到他工作的人和事都會讓他感到焦躁心煩。

雷納·韋斯的人生故事

無論從哪個方面衡量，韋斯的人生經(jīng)歷都是極不平凡的。他于1932年出生在柏林，后與他的家人一起逃離納粹統(tǒng)治來到美國。他在紐約曼哈頓上西區(qū)長大，作為一個擁有極強底層生活能力，還擁有鼓搗一些機械電氣玩意的天賦能力的孩子，他成功組裝了自己的高保真音響系統(tǒng)并售出賣錢。他曾在麻省理工學(xué)院就讀本科，但中途輟學(xué)，后來經(jīng)過自己的努力在這個學(xué)校獲得了終身教職，成為一名優(yōu)秀的物理學(xué)家，并為有史以來最大膽的實驗嘗試——激光干涉引力波天文臺一直奮斗了40多年，并一直工作到現(xiàn)在。“他是我所知道的電烙鐵用得最好的人?！甭槭±砉W(xué)院LIGO物理學(xué)家戴維·休梅克（David Shoemaker）說道。

在休梅克的推薦下，韋斯作為一名沒有獲得本科學(xué)位的大學(xué)輟學(xué)生，順利進入麻省理工學(xué)院研究生院學(xué)習(xí)。“他不走常規(guī)路，我想這就是他的天性，而且他是一個非常愿意幫助別人的人?！?/p>

韋斯也以性格直率而出名。“他將百分之百的精力都投入了物理學(xué)研究?！奔~約錫拉丘茲大學(xué)的一位LIGO物理學(xué)家彼得·索爾森（Peter Saulson）說道。20世紀80年代他與韋斯同在麻省理工學(xué)院共事。加州阿拉莫的一位退休物理學(xué)家、韋斯早期的一位研究生德克·穆爾納（Dirk Muehlner）深表同感，“他是一個誠實坦率的人。”他說。

有人會說，大學(xué)輟學(xué)就意味著人生失敗。但韋斯不會因此而氣餒。然而對于韋斯來說，扭轉(zhuǎn)命運也并非是一帆風(fēng)順的事。韋斯是一個擅長講故事的人，他會聲情并茂地講述他的人生故事。他將過去的種種細節(jié)，一些看似不相干的小事，貫穿在一起，松散的情節(jié)、不同的版本，表明他的人生并不是一本開放的書。事實上，韋斯的故事本身似乎含有一些更微妙的意義。

麻省理工學(xué)院里，他簡樸的辦公室在磚瓦結(jié)構(gòu)建筑的二樓，韋斯就坐在一個小木桌子后面，桌子上有一個大洞。在平板顯示器出現(xiàn)之前，韋斯帶著工具以調(diào)整笨重的電腦顯示器。帶著斷斷續(xù)續(xù)的紐約口音，韋斯對記者講述著他的人生故事。

雷納·韋斯的父親弗雷德里克·韋斯（Frederick Weiss）出身于一個富裕的德國猶太人家庭，是一位神經(jīng)學(xué)家，母親格特魯?shù)隆ぢ逅辜{（Gertrude Loesner）是一位女演員。格特魯?shù)聭言袝r，弗雷德里克（熱忱的共產(chǎn)黨員）因在法庭上指證一名納粹醫(yī)生而招來了麻煩。納粹分子綁架了他，格特魯?shù)碌募胰诉\用關(guān)系救他脫險。韋斯的父母于1933年結(jié)婚后很快逃亡到了捷克斯洛伐克首都布拉格，韋斯的妹妹于1937年出生在布拉格。韋斯說自己是一個快樂而魯莽的孩子，“我小時是一個很任性的小搗蛋。”他說。

不久，英國首相張伯倫簽署了一項協(xié)議，將捷克斯洛伐克地區(qū)割讓給德國，這一家人又再次走上了逃亡之路。他們于1938年9月30日晚聽到這個消息時，正在捷克北部的度假勝地塔特拉山度假，當(dāng)旅館的收音機里響起張伯倫宣布的協(xié)議時，6歲的雷納非常有興趣地盯著收音機里的真空管看。一夜之間旅館里人去樓空，所有的人都逃離了這里。

1939年1月，希特勒的軍隊攻占布拉格2個月前，韋斯全家移民到了紐約?！斑@是一個奇跡?！表f斯說道。因為語言障礙無法通過醫(yī)療委員會的考核，弗雷德里克做起了心理咨詢的工作，最終成為著名的心理學(xué)家。格特魯?shù)略诎儇浌纠锎蛄愎?。這不是一個很幸福的家庭，“我的父親在家中獨斷霸道，總是壓母親一頭。”韋斯說道。韋斯說他在“善意忽略”的家庭環(huán)境中長大，“父母都不怎么關(guān)心我的事，父親一切以自我為中心，整天忙著自己的事情。”他說。

青少年時期的韋斯對兩件事產(chǎn)生了極大興趣：古典音樂和電子器件。他開始利用淘來的一些零部件修理收音機，他甚至與當(dāng)?shù)氐幕旎熳隽艘粋€交易：拿著要修理的收音機在地鐵里來回，如果他們不來干擾他，他可以免費為他們修理收音機?！八麄儠禆|西，我不得不給他們修收音機，這不是一個好的交易。”

韋斯的妹妹、劇作家西比爾·皮爾森（Sybille Pearson）說道，韋斯盡可能的在外面混，而不愿回這個不快樂的家。但是，作為唯一的兒子，在家人眼中他仍然是家中的王子。例如，每次搬進新公寓時，韋斯分配到的總是最大的一間臥室，她回憶道：“他是家中的寵兒?！?/p>

在學(xué)校他也不落人后，皮爾森說?！八斆麝柟?，對一切都感興趣。”韋斯在哥倫比亞語法學(xué)校的同學(xué)邁克爾·瓦拉赫（Michael Wallach）也認同這一點?！袄准{的科學(xué)能力在學(xué)校被廣泛認可的?！比缃褚咽嵌趴舜髮W(xué)退休心理學(xué)家的瓦拉赫說道，雖然他也補充說道，韋斯少年時也常在街頭惹事?lián)v蛋，有一次在街頭混戰(zhàn)中弄折了一條腿。

其實，如果韋斯曠課，他也并不是在外面瞎逛，他的兒子本杰明·韋斯（Benjamin Weiss）說道，本杰明是一位歷史學(xué)家，波士頓美術(shù)博物館的館長?！八侨⒓邮姓d的鋼琴獨奏會?！北窘苊魍茰y：部分原因可能是對家庭氣氛的一種逆反反應(yīng)?！斑@是一個德國逃亡者家庭的孩子，通過自己的一些行為來反叛父母，但他肯定不排斥自己動手去做一些事情?！?/p>

如果說韋斯快樂地度過了他的青少年時期，成年早期卻多有挫折。他申請就讀麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)電氣工程，希望可以解決高保真度音響設(shè)備的問題，但電氣工程的課程卻讓他失望，課程重點都是關(guān)于發(fā)電廠的，而與高保真音響沒有什么關(guān)系。因此韋斯改學(xué)物理學(xué)專業(yè)。

然后在大三時，韋斯卻退學(xué)了。在楠塔基特島到波士頓的渡輪上，他結(jié)識并愛上了一名女子，她教會了他民間舞蹈和彈鋼琴。韋斯追著她到了伊利諾斯州的埃文斯頓。但他最后還是失戀了?！拔覊嬋肓藧酆?，完全瘋了?！彼f，“當(dāng)然，她不會繼續(xù)和一個瘋狂的人交往。”韋斯回到麻省理工學(xué)院想?yún)⒓悠谀┛荚?，卻發(fā)現(xiàn)自己已被學(xué)校退學(xué)了。

雷納·韋斯的事業(yè)之路

對此韋斯倒不是特別擔(dān)心?！叭藗儠f，‘大學(xué)沒有畢業(yè)，我的人生就完了！’哦，不，這并不代表人生就此完結(jié)。這要取決于我們?nèi)绾稳Υ！彼诼槭±砉W(xué)院的20號樓里找到了一份工作，這是戰(zhàn)爭期間專為杰羅爾德·扎卡里亞斯（Jerrold Zacharias）進行研究的一幢臨時建筑，他在這里研究原子束、分子束和微波，并在這里研發(fā)了第一個商業(yè)化的原子鐘。在扎卡里亞斯的指導(dǎo)下，韋斯于1955年讀完了學(xué)士學(xué)位，并于1962年獲得博士學(xué)位。

其他一些物理學(xué)家說道，扎卡里亞斯利用高精度的測量方法來探測基礎(chǔ)物理的原理，這種研究方法給了韋斯很大的啟發(fā)。但韋斯認為：他欠扎卡里亞斯一個更大的人情。“在我學(xué)業(yè)成績非常糟糕的情況下，是他讓我得以重返學(xué)校，并安排我進入研究生院學(xué)習(xí)。正是在他的幫助和支持下，我才能夠一路走來，直到在大學(xué)獲得終身教職?！彼f。韋斯辦公室的墻上一直掛著他的恩師扎卡里亞斯的照片。

在普林斯頓大學(xué)的博士后期間，在物理學(xué)家羅伯特·迪克（Robert Dicke）的指導(dǎo)下，韋斯進行了引力測試實驗。1964年，韋斯回到麻省理工學(xué)院。當(dāng)時作為初級教職人員，他很少發(fā)表論文，也沒有過多考慮自己的事業(yè)前景。麻省理工學(xué)院的休梅克說道，韋斯能獲得終身教職可能是由于他的教學(xué)能力。麻省理工學(xué)院名譽退休物理學(xué)家伯納德·伯克（Bernard Burke）也認同道，韋斯在早期是一位“喜愛設(shè)計小玩意的人”，一個不太可能獲得終身教職的人，除非他確實做出了一些不同尋常的成績。

不久韋斯就轉(zhuǎn)移了興趣，把注意力從引力轉(zhuǎn)移到測量所謂的宇宙微波背景（CMB）輻射，CBM是于1965年發(fā)現(xiàn)的一種在宇宙間普遍傳播的無線電波，當(dāng)時已初步確定為宇宙大爆炸的余輝，隨著宇宙的不斷膨脹，其波長會拉長，其溫度會變冷。

然而，直到1960年代末，科學(xué)家對于這兩者之間的關(guān)系仍然所知甚少。源自于大爆炸的輻射應(yīng)該有一個“熱譜”，不平衡的峰值可表明輻射溫度的變化。幾組研究人員在較長的波長觀察到逐漸升高的“熱譜”，與絕對零度以上的3°C相一致。但在1968年，火箭測量發(fā)現(xiàn)大量與熱譜相沖突的較短波長的輻射光波，與宇宙大爆炸假說有矛盾。

為探索這一現(xiàn)象，韋斯和他的研究生穆爾納制造了一種儀器設(shè)備，可安置在氣象氣球上飛上天空，測量波長較短的微波頻譜。1973年，通過3次飛行實驗和一次重新組裝后的實驗，他們獲得了與熱譜相符合的可靠數(shù)據(jù)，并首次顯示出現(xiàn)峰值的線索?！斑@完全推翻了火箭測量的結(jié)果，在對微波背景感興趣的科學(xué)家群體中，韋斯突然成了明星之一?！辈苏f道。

加州大學(xué)伯克利分校名譽校長羅伯特·貝格諾（Robert Birgeneau）稱，韋斯在麻省理工學(xué)院物理系的工作贏得了尊重，貝格諾于1975年至2000年期間曾在麻省理工學(xué)院工作?！霸诼槭±砉W(xué)院，他受到人們的普遍尊敬，人們尊敬他對科研的激情，以及在真正重要的物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)進行探索的勇氣?！?/p>

對宇宙微波背景研究的成就不僅讓韋維斯獲得了大學(xué)終身教職，也促使他在科學(xué)界更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)起到主導(dǎo)作用。1976年，美國國家航空航天局（NASA）計劃開展宇宙背景探測器（COBE）衛(wèi)星的項目，這一項目的科學(xué)工作小組推舉韋斯為帶頭人。該項目于1989年正式啟動，COBE精確測量了微波頻譜，確切證明宇宙微波背景（CMB）是有熱譜的，探測到天空中從某個點到某個點CMB的十萬分之一的微小溫度變化，即新生的宇宙中微小量子波動的痕跡，這是宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基本。2006年，美國人約翰·馬瑟（John Mather）和喬治·斯穆特（George Smoot）分別因測量宇宙微波背景的黑體形式和各向異性而分享了諾貝爾物理學(xué)獎。

一些物理學(xué)家認為韋斯應(yīng)該共享這個獎項?！八c諾獎擦肩而過?！卞a拉丘茲大學(xué)的索爾森說道。但韋斯自己認為，他雖然在自己擅長的領(lǐng)域內(nèi)對COBE做出一些貢獻，但并不適合于領(lǐng)導(dǎo)一個大的科學(xué)項目。“他是一個很好的合作者。他還是一個知人善任的人，知道如何發(fā)揮每個人的特長?！痹隈R里蘭州美國宇航局戈達德太空中心工作的馬瑟說道。

在宇宙背景探測器（COBE）出現(xiàn)很久之前，在他擔(dān)任非終身職位期間，韋斯就已經(jīng)開始醞釀建立激光干涉引力波天文臺（LIGO）的想法。1960年代末，麻省理工學(xué)院物理系想請他教授關(guān)于廣義相對論的研究生課程時，“我不能對他們說，我對于廣義相對論一無所知?！彼f道。因此，他努力比他的學(xué)生領(lǐng)先一步，專注于引力的實驗測試。

馬里蘭大學(xué)帕克分校的工程師約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）試圖用一個軍用提箱大小的鋁棒來探測引力波，韋斯的學(xué)生就這個實驗向韋斯請教。廣義相對論指出：較大的天體，例如兩個黑洞，在旋轉(zhuǎn)碰撞時會產(chǎn)生時空漣漪。韋伯認為，這些時空漣漪，即引力波會拉伸他的圓棒，令它們像音叉一樣產(chǎn)生振動。1969年，他聲稱發(fā)現(xiàn)了引力波，但別人無法復(fù)制他的實驗。

韋斯也無法掌握韋伯的方法，因此他發(fā)明了自己的方法，一個稱為干涉儀的L型裝置，它將一束激光分別發(fā)送到干涉儀的垂直兩臂，激光束從反射鏡同步反射回激光束分裂器。如果兩臂長度完全相同，光波同步返回，兩束光是相消的，光子探測器上不會有光信號。但當(dāng)有引力波從垂直方向進入之后，會拉伸其中一臂，壓縮另一臂，從而導(dǎo)致兩束光的光程差發(fā)生變化，原先相干相消的條件被破壞，探測器端的光強就會有變化，由此獲得引力波信號。韋斯意識到：如果信號輸出揭示有引力波經(jīng)過，將會導(dǎo)致兩臂長度出現(xiàn)差異。他讓他班上的學(xué)生以這個想法為作業(yè)題，發(fā)揮他們的想象力。韋斯為此寫了一份長達23頁的報告，發(fā)表在麻省理工學(xué)院電子研究實驗室的季刊上，激光干涉引力波天文臺的設(shè)想就從這篇報告開始萌芽。

韋斯堅稱，當(dāng)時干涉儀探測器的理念已經(jīng)“普遍流傳”。但其他人認為，韋斯是第一個提出探測器可以長達數(shù)公里，也是第一個描述如何處理各種類型噪音的人，例如，地震和單個光子對鏡子的撞擊聲等，都有可能淹沒難以捉摸的引力波信號。

要將實驗付之于實現(xiàn)需要的各種技術(shù)的難度令人難以置信。LIGO干涉儀的雙臂長達4公里，為探測引力波，物理學(xué)家還必須將臂長與質(zhì)子直徑的1/10000進行比較。另外，這個達3億美元的項目直到22年后的1994年才正式獲得批準(zhǔn)。

這段時間里，韋斯一直堅守在20號樓里搞研究，直到1995，他出現(xiàn)輕微心臟病。他經(jīng)常工作到凌晨兩點，麻省理工學(xué)院的一位LIGO物理學(xué)家內(nèi)加爾·瑪瓦爾瓦拉（Nergis Mavalvala）說道。從1990年到1997年，她一直是韋斯手下的一名研究生，并得到了韋斯的極大幫助。當(dāng)瑪瓦爾瓦拉未通過資格考試時，韋斯每個周六都在他的辦公室里為她“開小灶”補課，堅持了幾個星期?！八⒉辉趺丛诤蹩荚嚦煽儯牢冶仨毻ㄟ^考試。”瑪瓦爾瓦拉說道。

韋斯為非傳統(tǒng)意義上的好學(xué)生伸出援助之手的做法為他贏得了良好的聲譽。1983年，離開學(xué)校已經(jīng)5年，并花了兩年時間環(huán)游世界的萊曼·佩奇（Lyman Page）走進了韋斯的實驗室，問是否可以為他工作。他說，“你可以在實驗室工作，但我不會付你工資?！迸迤嬲f道，“于是我白天做木匠活維持生計，晚上在實驗室里工作?！迸迤嫒缃褚殉蔀橐幻钪鎸W(xué)家，他非常感謝韋斯當(dāng)年給予他的機會，一個其他人不可能給他的機會。

實驗室外的雷納·韋斯

在實驗室里是一個工作狂的韋斯，走出實驗室也擁有一份完整的人生。1959年，他與不久前畢業(yè)的生物學(xué)系學(xué)生、在哈佛大學(xué)植物標(biāo)本室工作的麗貝卡·揚（Rebecca Young）結(jié)婚。如今已退休的兒童圖書館管理員麗貝卡回憶道，當(dāng)年他們兩個經(jīng)常出現(xiàn)在同一家餐廳里，“一天晚上，他請我?guī)退f一下鹽，然后我們開始了關(guān)于光合作用的長談?！彼f，“但在我們結(jié)婚多年后，我發(fā)現(xiàn)他從來沒有在任何食物里再加鹽的習(xí)慣?！?/p>

麗貝卡說韋斯經(jīng)常不在家，尤其是在20世紀60年代和70年代，韋斯經(jīng)常離家去德克薩斯州的帕勒斯坦搞他的氣球?qū)嶒?。不過她說，韋斯仍然不失為一個稱職的丈夫和父親。即使他不常在家，他還是與家里“有一條血脈相連的線?！彼f。韋斯星期天會帶著孩子去實驗室，他們的女兒莎拉·韋斯（Sarah Weis）說道，她如今是耶魯-新加坡國立大學(xué)學(xué)院的一位民族音樂學(xué)家，“我從來沒有覺得我缺少我需要和渴望的父愛。”她說。

LIGO發(fā)現(xiàn)了韋斯期望的引力波類型：黑洞碰撞在一起產(chǎn)生的時空漣漪

音樂伴隨著韋斯一路走來?！耙魳肥撬松囊粋€重要組成部分?！丙愗惪ㄕf。韋斯說他從20歲就開始學(xué)彈鋼琴，在夫婦倆居住的馬薩諸塞州的一幢兩層樓房里，每天晚上他都會在客廳的一架小型鋼琴上練習(xí)一個小時，他特別喜歡一些古典作曲家，如莫扎特、貝多芬、舒伯特等?！八它c鐘進到那里，然后關(guān)上所有的門?！丙愗惪ㄕf，“他還以為我聽不到他的鋼琴聲呢?！?/p>

但韋斯說，即使練了63年的鋼琴，他的技術(shù)卻不怎么樣?！拔业那偌际呛懿顒诺?。”他說，“你可以分辨得出我演奏的是哪首曲子，但對我的琴技你一定不會恭維。”

如今看來，韋斯的寧靜生活注定會被打破，物理學(xué)家預(yù)計他有分享諾貝爾獎的希望，如果今年不行，那么會是下一年。自從LIGO團隊于2月份宣布了發(fā)現(xiàn)引力波的消息以來，韋斯和LIGO的共同創(chuàng)建者、加州理工學(xué)院的基普·索恩（Kip Thorne）和已從加州理工學(xué)院退休的羅納德·德雷佛（Ronald Drever），都已經(jīng)獲得了多個獎項：特別科學(xué)突破獎、格魯伯宇宙學(xué)獎、邵逸夫天文學(xué)獎、科維理天體物理學(xué)獎。“說真的，這么多獎項讓我心里很不安?！表f斯說道，他打算將所得獎金的90%用于幫助研究生。關(guān)于韋斯的許多故事都體現(xiàn)了他的謙遜態(tài)度，給人留下了深刻的印象?！八且粋€非常謙虛的人，這是他人格魅力的一部分?！彼呐笥淹呃照f道。但韋斯自己講述的故事，關(guān)于他的愛情生活，關(guān)于他在大學(xué)輟學(xué)的經(jīng)歷，似乎也給人們帶來了一些更深層次的思索。

話題又回到韋斯的愛情生活。起初，一些似乎都很簡單。韋斯墜入了愛河，但他猛烈的愛情攻勢卻把女孩給嚇跑了。第二次戀愛韋斯吸取了教訓(xùn)，“我將她視為女神，而一個女神是不容觸犯的，但她索求更多的東西?！币虼?，這次戀愛很快也無疾而終。當(dāng)問及他那時是不是一個有魅力的年輕人時，韋斯回答說，“我沒有那么大的魅力，但我也不會為情感所困。”

但瓦拉赫所記得的與韋斯說的有些不同。韋斯在20多歲時愛上了他的鋼琴老師，一個30歲的女子。瓦拉赫回憶說，韋斯大多數(shù)時間都呆在鋼琴老師的屋子里，而她也很想嫁給他，但韋斯太年輕，不想那么早結(jié)婚，于是韋斯提出了分手。

這次失敗的戀愛對韋斯大學(xué)輟學(xué)事件有多大影響呢？“那個年齡的年輕人處于反叛期，像我們這樣家庭出身的孩子，他會怎么做？那就是退學(xué)?！彼拿妹闷柹f道。

當(dāng)年的細節(jié)，在幾十年后的今天都已漸漸淡去。有些細節(jié)會有出入，有的細節(jié)會多出一些東西來。但他從不解釋究竟發(fā)生了什么，以及他真正的感受，或者為什么他會首先告訴我們這個故事。也許這才是關(guān)鍵。

LIGO是韋斯的創(chuàng)意，它證明了合理懷疑的黑洞的存在，證實了恒星塌縮成無限小的點而留下的強引力場。在那個點的某個距離之內(nèi)，即在事件視界之外，引力變得如此之強，任何東西都無法逃離，甚至是光也無法從中逃逸。在講述他的故事時，韋斯似乎是在創(chuàng)建自己的個人視界，在引人入勝的話語和前塵往事的回首后面，隱藏著一個更深層次的自己。盡管他面對記者講述了自己的故事，但韋斯仍然是一個非常自我的人。

在韋斯夫婦的家里，麗貝卡解釋著韋斯是如何使用電腦顯示器來放大他的樂譜的，以彌補逐漸衰退的視力?？蛷d的角落里，是那架年代久遠的小型鋼琴，表面的光澤已被磨損，邊角上已顯露出木質(zhì)材料，鋼琴上堆滿了樂譜。用支架固定的一個平面屏幕上顯示著放大的樂曲，那是一首貝多芬的奏鳴曲?！拔乙巡粡椾撉倭??！表f斯說道。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：岳峰]