Rainer Weiss：50 年的 LIGO 和引力波

物理学家 Rainer Weiss 脚踏实地、谦逊且热衷于讨论他的研究，非常容易交谈。 五年前，他的工作为他赢得了一半的收入 2017年诺贝尔物理学奖，另一半给巴里巴里什和基普索恩，以表彰“对 LIGO 探测器和引力波观测的决定性贡献”。 以美国为基地 激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 是 2015 年首次观测到引力波的地方，最终证实了爱因斯坦百年广义相对论中最后一个未经检验的预测。

尽管预示着它们的存在，但爱因斯坦本人怀疑这些波是否会被观测到，因为它们非常微弱。 Weiss 使用激光干涉测量法的突破性想法最终使 第一次观测——距离地球 1.3 亿光年的两个黑洞合并发出的引力波 – 以及 LIGO 此后探测到的更多。 Weiss、他的诺贝尔奖同事和许多其他人花费了数十年的努力，这一发现代表了物理学的顶峰，也开创了天文学的新纪元。 自观测天文学出现以来，我们一直主要通过观察可见光，然后是广谱电磁波来扫描宇宙。 现在，引力波能够提供一种探索许多宇宙现象的新方法。 引力天文学诞生仅仅七年，就已经产生了很多有价值的新知识。

从纳粹德国到美国，途经布拉格

三位诺贝尔奖获得者中的每一位都按照自己的方式走向了这些成功。 Weiss 的道路展示了才华横溢的实验物理学家是如何形成的，新的科学思想是如何从意想不到的方向产生的，以及如何需要毅力来实现大规模的物理实验。

魏斯于 29 年 1932 月 1937 日出生于德国柏林，当时正值纳粹掌权时期。 魏斯的父亲弗雷德里克是一名医生，雷纳将他描述为从小就是“热心和理想主义的共产主义者”。 作为一名犹太人和反纳粹共产主义者，弗雷德里克在雷纳的母亲格特鲁德怀上他时被纳粹拘留，他曾出庭指证纳粹医生被指控医疗事故。 在他的基督徒妻子的要求下，他的家人在当地有一些联系，腓特烈被释放并送往布拉格。 雷纳 (Rainer) 出生后，格特鲁德 (Gertrude) 带着她的新生儿前往捷克斯洛伐克与弗雷德里克 (Frederick) 会合，并于 XNUMX 年在那里生下了另一个孩子西比尔 (Sybille)。

但是，当 1938 年慕尼黑协定允许德国军队进入捷克斯洛伐克时，一家人不得不再次逃离。 “我们在斯洛伐克度假时通过收音机听到了这一决定，并与一大群人一起前往布拉格，试图获得签证，移民到世界上几乎任何其他接受犹太人的地方，”雷纳在他的诺贝尔传记中回忆道。 . 全家于 1939 年移居美国。根据当时的移民法，这是唯一可能的，因为弗雷德里克的职业是韦斯所说的“非常棒的女人”，来自慈善事业的圣路易斯斯蒂克斯家族，发行了一份债券以保证 Weisses 不会成为社区的负担。

韦斯在纽约市长大，最初就读于公立学校。 五年级时，他获得奖学金，通过当地难民救济组织加入 哥伦比亚文法学校 – 曼哈顿中部的一所私立学校，曾一度与为学生做准备有关 哥伦比亚大学. 音乐、科学和历史是他最喜欢的课程，十几岁时，他为古典音乐爱好者打造了定制的高保真或“高保真”音频系统。

这种兴趣和他自己的好奇心最终把他带到了物理学。 为了寻求完美的声音再现，Weiss 试图通过电子方式消除留声机唱针在老式唱片中沿着凹槽移动时发出的背景噪音，这种噪音会破坏音乐。 但是他的努力失败了，他决定去上大学，学习足够的知识来解决问题。 这种教育始于 美国麻省理工学院（MIT） 。

电子学到物理学，绕道而行

作为麻省理工学院的一名电气工程专业学生，Weiss 在学习他真正感兴趣的电子产品之前，应该先了解发电机和输电线路。 这个死板的计划不符合他的口味，所以在第二年他转向物理，因为“它的要求更少”并且课程更灵活。 但这也没有立即奏效。 1952 年，维斯爱上了一位年轻女子，她是一位钢琴家。 这段关系并没有结束，而且，伤心欲绝的韦斯没有通过他所有的课程，不得不离开麻省理工学院。

但一切都没有丢失。 到 1953 年春天，他以技术员的身份回到麻省理工学院，在 物理学家 Jerrold Zacharias 的原子束实验室, 谁开发了第一个原子钟。 “在那个实验室里进行的科学研究非常出色，”魏斯回忆道。 “那里的实验正在研究不受邻近系统干扰的孤立单个原子和分子的特性。 每个原子都与下一个相同，并且可以提出有关它们的结构和将它们结合在一起的相互作用的基本问题。” 最初是帮助研究生完成他们的论文项目，最终导致 Weiss 直接与 Zacharias 合作开发 铯原子束钟, 最终将成为 被标准局（现为美国国家标准与技术研究院）和美国海军采用为时间标准。

在 Zacharias 的指导下，Weiss 完成了他的 物理学学士学位，然后于 1962 年获得博士学位，并了解了高精度实验，这是导致 LIGO 的关键线索。 当 Weiss 在天文学家和物理学家手下担任助理研究员时，另一个关键主题出现了 普林斯顿大学的罗伯特·迪克，韦斯称他为“我生命中的英雄之一”。 Dicke 和 Weiss 研究开发现代版本的 Eötvös 实验, 通过证明惯性和引力质量的等价性来理解广义相对论的等价原理。 由于迪克的新引力理论结合了标量场和广义相对论的张量场，他的想法是建立一个实验来测量整个地球将如何振动，是一个引力波通过。 实验的目的是测量标量引力辐射的光谱，但他们发现由于地球物理噪声，他们的石英重力仪的灵敏度受到严重限制。 尽管这项研究没有成功，但魏斯学会了迪克开创的实验技术，并最终证明对 LIGO 和许多其他物理实验至关重要。 事实上，魏斯发现在普林斯顿的那两年“对我的科学发展非常重要”。

在 1964 年作为助理教授加入麻省理工学院物理系后， Weiss 参与了一个测量宇宙微波背景 (CMB) 光谱的宇宙学项目，仍然充满宇宙的大爆炸的遗迹。 他对研究做出了贡献，该研究表明 中巴 遵循源温度为 2.7K 的几乎完美的黑体曲线——这一发现导致了 2006 年诺贝尔奖授予首席科学家 John Mather 和 George Smoot.

在教室里测量重力

魏斯继续思考引力波，尤其是当他被要求在麻省理工学院讲授广义相对论课程时。 这并不容易。 广义相对论的数学令人生畏，教授这门学科的课程更多是数学而不是物理。 今天讨论这个问题时，Weiss 说：“我不是理论家。 我是一名管道工……真空管道工，电子管道工，但还是一名管道工。” 所以他和他的学生一起学习数学——但出乎意料的是，他的实验背景变得非常重要。

正如 Weiss 解释的那样，当时 马里兰大学的约瑟夫韦伯试图探测引力波 通过测量波浪扫过时大型铝制圆柱体的长度变化。 当学生们向 Weiss 询问此类测量时，他想出了一个教学法 头脑 进行实验以在原则上说明如何制作它们。 在自由空间中将两个物体相距一定距离，一个用脉冲激光，另一个用镜子。 现在测量激光的往返传播时间——以及距离。 如果经过的引力波改变了距离，足够精确的时间测量就会显示出这种影响。 由于所有测量都是在激光的时空位置进行的，因此广义相对论的计算变得简单明了——事实上，Weiss 将其归类为一类问题。

韦伯在 1969 年声称探测到引力波，但从未被复制，但他的工作启发的例子发展成了 LIGO。 Weiss 通过在一端添加带有反射镜的第二条光束路径改进了最初的想法，将其设置为与第一条路径成直角的“L”形，并在交界处带有分束器。 这是迈克尔逊干涉仪，它在 1887 年迈克尔逊-莫雷实验中对光速和 CMB 光谱进行了超精确测量。 在广义相对论中，垂直于臂平面传播的引力波会拉长一个臂并收缩另一个臂，从而改变两个臂中光波的干涉方式。 Weiss 总结说，这比测量沿单一路径的旅行时间要灵敏得多。

Weiss 回忆起 1971 年夏天他是如何“坐在一个小房间里计算所有会干扰该实验的东西”，包括噪音源。 他的结果很了不起：用几公里长的手臂，可以测量小至 10 的距离变化 ^{- 18} m——几乎是质子大小的千分之一——因为经过的引力波对空间施加压力，导致应变为 10 ^{- 21}.

试验台和第一次观察

Weiss 的一些同事对引力波持怀疑态度，但他继续发展他的想法。 当在他的实验室和一个德国小组建造的小型测试干涉仪验证了他的计算时，它得到了实验验证。 1975 年之后获得了更广泛的支持，当时 Weiss 与他在普林斯顿时代的一个熟人重新建立了联系， 加州理工学院理论物理学家 Kip Thorne. 看到引力波研究的潜力，索恩在加州理工学院支持韦斯的想法。 1979年 美国国家科学基金会 资助加州理工学院和麻省理工学院进行干涉检测的可行性研究。 到 1990 年，它支持 LIGO 作为加州理工学院-麻省理工学院的一个项目，获得了有史以来最大的资助。 这允许在 4 公里长的臂上建造相同的探测器 华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿，用于巧合研究以确认任何目击事件。 这些结合了许多由实验物理学家开发的技术概念 来自加州理工学院的罗纳德德雷弗。

LIGO 于 2002 年开始运行后，达到了预期的灵敏度，但九年来一直没有探测到引力波。 然后，这些设备得到了显着改进，更好地隔离了噪声源，从而导致 “高级 LIGO”（aLIGO） 五年多后。 随着灵敏度提高 10 倍，在 14 年 2015 月 XNUMX 日，aLIGO 首次观测到来自两个合并黑洞的引力波——这是一个奇迹般的发现，因为该机器仍在为首次正式运行进行校准（物理世界 2017; 30（10）33).

几年后，在 17 年 2017 月 XNUMX 日，aLIGO 首次观测到来自两颗合并中子星的引力波 （意大利的室女座引力波探测器也参与了）。 这些不是孤立的事件。 到 2021 年底完成的最后一次观察运行结束时，aLIGO 报告了总共 对两个黑洞（大多数）、两个中子星或一个黑洞和一个中子星合并的 90 次观察. 

回顾过去，展望未来

回顾引力天文学的前七年，魏斯欣喜若狂。 “我认为 LIGO 取得了巨大的成功，”他说，并特别赞扬了它如何验证广义相对论和黑洞天体物理学。 LIGO 的结果表明，我们对黑洞的了解足以预测其二体相互作用的细节，而在广义相对论中，这与经典物理学中的三体问题一样难以计算。 另一个成果是 LIGO 的不同质量黑洞之间相互作用的目录，它提供了关于它们如何在星系中心形成超大质量黑洞的线索。

Weiss 还挑出了一个“引起最大轰动 [并且] 产生了如此多令人难以置信的科学成果”的特定事件。 2017 年观察到的两颗相撞的中子星也产生了电磁辐射，从伽马射线到无线电波，世界各地的天文台都在追踪（见 “一个新的宇宙信使” 伊姆雷·巴托斯 (Imre Bartos)）。 这个“多信使”天文学的主要例子为事件提供了精确的位置； 表明这种相互作用产生了黄金和铂金，使人们对恒星如何产生重元素有了新的认识； 确认引力波以光速传播； 并提供了一种测量哈勃常数的新方法，或许可以消除当前对其值的不确定性。

当被问及引力天文学的未来时，Weiss 的热情高涨。 一个组成部分是 宇宙探索者干涉仪， 建议来自 马修埃文斯 和 纳吉斯·马瓦瓦拉 在麻省理工学院。 Weiss 强烈支持这种下一代设备，其 40 公里长的臂将使其比先进的 LIGO 灵敏 10 倍。 欧洲科学家正在考虑三角形 爱因斯坦望远镜 拥有 10 公里长的臂，欧洲航天局提议发射三角 激光干涉仪空间天线 （丽莎）在 2030 年代。 它的三个航天器——相距 2.5 万公里，携带激光和镜子——将构成一个超灵敏探测器。

每个探测器将响应不同频率的引力波，这与辐射物体的质量成反比。 就像常规天文学使用电磁波谱的不同部分来研究不同的天体现象一样，我们开始看到引力天文台被调谐以检测不同类别的引力事件。 对于黑洞，可能性范围从寻找假设的小原始黑洞到了解超大质量黑洞与星系形成的关系。 合并中子星产生的引力波将加深我们对恒星演化和致密核物质的认识。 它们也可能来自脉冲星，以补充电磁波揭示的有关它们的信息。 更具推测性的是，一些研究人员认为，多信使方法可能会显示我们银河系中心的超大质量黑洞是否真的是虫洞的一端。

这些即将推出的探测器最让 Weiss 兴奋的是，它们可以“通过将场引入宇宙学，研究整个宇宙来进行壮观的科学研究。” 正如他解释的那样，俄罗斯理论家 阿列克谢·斯塔罗宾斯基ǐ 已经表明，如果真空波动启动了宇宙，那么随着宇宙经历快速的宇宙膨胀，难以想象的加速度将产生大量低频引力波。 就像宇宙背景辐射一样，它们会形成一个残留的宇宙背景，但起源于非常接近大爆炸的时期，并携带着关于早期过程的新信息，比如暗物质的产生。 这些波很难探测到，但研究人员正在计划将地面和太空探测器结合起来，形成一种新工具来解决物理学、天文学和宇宙学中的一些重大问题。

但当他回顾自己漫长的职业生涯和未来的研究时，Weiss 不想简单地总结一下“我不是那种人”。 没有最后的声音可能会令人失望，但是，在他长达数十年的成功建造 LIGO 的承诺中，在他进一步推进引力波科学的愿景中，以及在他对这两者的富有感染力的热情中，Rainer Weiss 已经雄辩地说他需要说的一切。