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[原创]从炸沉的航母死里逃生后,他成了引力波探测先驱

环球科学  · 公众号  · 科学  · 2019-07-19 20:22

约瑟夫·韦伯与他的引力波探测器(图片来源:马里兰大学图书馆)


撰文 | 张华



1942年5月,珍珠港事件后,日本海军与美国海军在澳大利亚附近的珊瑚海进行了一场激烈的海战。5月8日,战争已经白热化,美、日两国的航空母舰编队相互轰击,彼此都有很大伤亡。在这场战役中,美国的莱克星敦航母被日本海军的鱼雷和炸弹击沉,莱克星敦号航母上200多名士兵死亡。而一位名为约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)的士兵跳海逃生,最后获救。


27年后,《物理学评论》Physical Review Letters)上的一篇论文引起了轰动。文章的标题是《引力波已经被探测到的证据》,作者只有一个人,正是约瑟夫·韦伯。韦伯在论文摘要中开门见山地提到:“在相距1000千米的美国阿贡国家实验室与马里兰大学,仪器同时探测到了引力波信号。”


韦伯宣称探测到引力波的论文



引力波频率


1916年,爱因斯坦提出广义相对论后预言了引力波的存在。在广义相对论中,一维时间与三维空间构成一个整体,三维空间本身是有弹性的,它会随着时间振动——这就好像钢板的振动会发出声音一样——空间的振动会激发出引力波


但是,因为空间本身比钢板更具有刚性,所以很难发出可观的引力波。需要巨大的质量抖动,才可以发出能够被我们探测到的引力波。因此,这样的引力波一般是由黑洞或者中子星等大质量致密物体碰撞并合而产生的,小质量物体产生的引力波在地球上根本就测不出来。


在致密星体相互绕转的过程中,两个星体近似以质心为圆心做圆周运动,因此具有圆周运动的特征频率。而这个特征频率的两倍,大致就是引力波的频率。对于恒星级的黑洞,其辐射的引力波频率大约在1赫兹到10000赫兹之间。


下面这个公式,可以粗略估算出两个天体并合产生的引力波的频率。我们用M代表两个天体的质量之和,C是光速,G是牛顿引力常数。那么两个星体非常接近时,其引力波频率的数量级可以用如下公式来估算:


如果需要严格计算引力波的频率,则需要用到一个叫作“啁啾质量”的物理量。假设天体的质量分别是m1与m2,那么,可以定义出啁啾质量:


有了啁啾质量,再根据两个星体的总能量E,就可以算出引力波的频率f如下:



“韦伯棒”


韦伯进行引力波探测的主要思想,就是引力波频率。


1948年,从美国海军退役的韦伯被马里兰大学聘为电子工程系教授——因为韦伯本身是学电子的。韦伯继续深造,在1951年获得了微波射电方向的物理学博士学位,随后他也从电子工程系被调为物理系教授。在这一时期,韦伯对广义相对论产生了兴趣,还得到了著名的相对论专家约翰·惠勒的指导。


兼具广义相对论知识与电子工程背景的韦伯,产生了一个伟大的愿景:他想成为引力波探测第一人。韦伯他知道引力波是有频率的。于是,他想到了一个事情,那就是“共振”。


什么是“共振”呢?举一个简单的例子,军队过大桥的时候,一般不能齐步走,因为齐步走的频率如果有大桥的固有频率一样,大桥可能会因为共振而倒塌。


而韦伯则需要利用这种“共振”。


韦伯得到了美国国家科学基金的资助,在马里兰大学制作了好几个大的圆柱体铝棒,每个铝棒都有一个固有频率。因此,如果引力波的频率与铝棒的固有频率相同,那么铝棒就会“共振”——这个共振信号会不断放大,最后就可以被探测到了。


韦伯制作的这些的铝棒尺度都不小,其中一个长度 1.53 米,直径 0.66 米,质量约为 1.4 吨。根据铝棒的形状与弹性系数可以算出,这根铝棒的固有频率大约是1660赫兹。


共振频率f之所以选为1660 赫兹,主要是为了计算方便——因为这个频率对应的圆频率ω正好是一个整数10000。(ω = 2πf)


可以说,韦伯的这个共振频率选择得基本靠谱,但却存在很大的硬伤。


我们知道,一般的致密双星系统发出的引力波,其引力波的频率不是一个常数,而是一个很宽的频率域。韦伯这种固定在1660赫兹的引力波探测器,就好像“刻舟求剑”一样,只盯住一个固定的频率。(根据上文的公式计算,如果韦伯的铝棒能探测到引力波,那么对应的致密天体的质量约为10倍太阳质量。)这大大缩小了可探测的频率范围,降低了发现引力波的概率。


此外,韦伯的引力波探测铝棒要悬挂起来,以避免振动对它的影响;而且必须放在真空容器中,以减少空气分子撞击产生的碰撞信号。这在工艺上有着极高的精度要求,这些事情要做好其实非常难。



无法重复


韦伯做出铝棒后,在铝棒的四周贴上压电陶瓷,就可以把测到的振动信号转为电信号,并通过放大电路检出。他就是用这种“守株待兔”的方式检测来自宇宙的引力波。为了避免地震或者其他偶发因素的干扰、提高实验的可信度,韦伯在距马里兰大学1000千米左右的阿贡国家实验室也放置了一个“韦伯棒”。如果两个远距离的“韦伯棒”同时出现振动信号,就可以排除很多局部信号了。


1967和1968年,韦伯发表论文介绍“韦伯棒”的工作情况。到了1969年,他直接发表论文宣布探测到了引力波,这一下子引起了学术界的轰动。全球开始有其他研究组重复他的实验,包括来自中国中山大学的陈嘉言教授也做了一个“韦伯棒”来探测引力波。但后继者的实验都没有测到引力波。


韦伯的两个探测器发现引力波的信号图


很快,学术界开始质疑韦伯的实验。韦伯宣布探测到引力波的事情不可重复,所以在当时有物理界的人对他做出负面评价,说韦伯已经沦为骗子,专门骗国家科学基金的钱做毫无价值的实验。


有一位叫彼得·卡夫卡的物理学家曾回忆起当时物理学界对韦伯实验的微妙感觉。卡夫卡说:“我在1971年的哥本哈根会议上和韦伯讨论过这个问题。我和韦伯的观点不一致。但是讨论没有结束,韦伯不得不离开了,因为他的第一任妻子去世了。然后在1972年春天,我为此写了一篇文章说明韦伯探测到的引力波是可疑的,这使韦伯非常生气。很快,我和韦伯又见面了。我记得我看到他的时候,有几个人在一张桌子上吃午饭,包括韦伯。韦伯跟我打招呼说:‘你好,彼得·卡夫卡。’ 随后,韦伯扭头对一起吃饭的人说:‘他说我是骗子。’说完就笑了起来。”


晚年的约瑟夫·韦伯(摄影:Jim Sugar/Corbis



引力波探测先驱


韦伯的引力波探测器用的是机械共振,其精度不足以探测到引力波,这是后来学术界的共识。比如2015年9月14日,LIGO第一次探测到的引力波振幅为10-21,其在相距1000千米的尺度上产生的空间拉伸相当于质子的直径。对于韦伯1.53米长的铝棒,其空间拉伸量大约只有质子大小的百万分之一,因此即使有共振效应,韦伯也是不可能测出来的。


虽然物理学界对韦伯当年的实验持保留态度,但韦伯的雄心与抱负值得肯定,他是当之无愧的引力波探测先驱。2000年,81岁的韦伯在匹兹堡去世。而当2016年LIGO宣布真正探测到引力波时,LIGO邀请了韦伯的遗孀特蕾波尔参加了新闻发布会,以示对这位先驱者的尊重与缅怀。


韦伯的一生充满传奇,当年在航母沉没的时候大难不死,后来探测引力波壮志未酬,其一生令人唏嘘感怀。



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