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本文发表于 2017 年 7 月 6 日的《南方周末》, 编辑所拟的发表稿标题为 “引力波探测:先驱者的悲剧”, 发表稿不含注释。

时空的乐章——引力波百年漫谈 (九)

- 卢昌海 -

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十一. 风动, 幡动, 还是心动?

韦伯对引力波的探测基本上是与 “校准实验” 同步展开的, 从 1967 年到 1970 年, 他在著名期刊《物理评论快报》 (Physical Review Letters) 上接连发表五篇论文, 宣布了探测结果[注一]

韦伯的第一篇论文发表于 1967 年 3 月 27 日, 标题为 “引力辐射” (Gravitational Radiation)。 这篇论文发布了 10 组疑似引力波造成的信号, 每组都标明了信号出现的时间, 跨度从 1965 年 9 月 21 日到 1967 年 2 月 17 日。 10 组信号中, 较早的 7 组是由单个 “韦伯棒” 探测到, 较晚的 3 组则是由相距三公里左右的两个 “韦伯棒” 共同探测到的时间上同步的信号——以下简称同步信号[注二]。 很明显, 在这 10 组信号中, 由单个 “韦伯棒” 探测到的 7 组其实没什么价值, 因为没法甄别干扰; 值得关注的只有由两个 “韦伯棒” 共同探测到的那 3 组同步信号[注三]

在发表这篇论文时, 韦伯的态度还相当谨慎, 他表示, 那几组信号若真是引力波造成的, 则强度似乎太大, 大到了应当伴随有其他天体物理效应——比如超新星爆发——的程度。 由于并未有人观测到与他的信号相伴随的其他天体物理效应, 那些信号 “源自引力辐射显得很不可能”。 假如源自引力辐射 “显得很不可能”, 那信号会来自何方呢? 韦伯猜测是地震。 1967 年 11 月, 在给同事的一封信中, 韦伯坦率地表示, “韦伯棒” 的抗干扰能力虽然不错, 却远非完善, 他并且将信号源自引力波的概率估计为 1/50。 这个估计虽无实质的定量依据, 却显示出谨慎的态度。

不过, 这种谨慎的态度在后续论文中越来越少, 直至消失。

韦伯的第二篇论文发表于一年多之后的 1968 年 6 月 3 日, 标题为 “引力波探测器事件” (Gravitational-Wave-Detector Events)。 这篇论文发布了为期两个月的时间跨度内探测到的 4 组新信号, 全都是由两个相距两公里的 “韦伯棒” 探测到的同步信号[注四]。 在这篇论文中, 韦伯对同步信号纯属碰巧的概率作了估计。 这种估计从道理上讲是很有必要的, 因为哪怕在两组完全随机的信号中, 也会纯属碰巧地出现一些同步信号——尤其是在 “同步” 本身界定得比较粗糙的情形下[注五]。 韦伯以同步信号每隔多少时间才会纯属碰巧地出现一次作为衡量其概率的指标。 针对那 4 组信号, 他给出的结果分别为 150 天、 300 天、 40 年和 8,000 年。

假如韦伯的估计无误, 那么很明显, 每隔 40 年和 8,000 年才能纯属碰巧地出现一次的信号——尤其后者——是相当稀罕的, 稀罕到了不太可能 “纯属碰巧” 的程度。 因此虽然探测精度并无实质改进, 韦伯的信心却因为这种估计而显著增加了, 在论文的结论部分表示: “极低的随机巧合概率使我们能排除纯粹的统计起源”, “起码稀罕的信号有可能是引力辐射所激发的”。 这个口气虽依然带有谨慎色彩 (因为谈的只是 “有可能”), 比起将信号源自引力波的概率估计为 1/50 来, 明显是加强了。

又隔了一年多, 1969 年 6 月 16 日, 韦伯发表了第三篇论文, 标题为 “引力辐射的发现证据” (Evidence for Discovery of Gravitational Radiation)。 这篇论文单从标题上看, 口气就比前两篇加强了许多, 因为前两篇的标题——“引力辐射” 和 “引力波探测器事件”——都未对结果定性, 而 “引力辐射的发现证据” 这一新标题却首次将探测结果定性为了 “引力辐射的发现”。

从技术层面讲, 虽然 “韦伯棒” 还是原先的水准, 但两个 “韦伯棒” 之间的距离由两三公里扩大到了 1,000 公里, 从而起码从道理上讲, 对较大范围的干扰也具有了甄别能力。 与第二篇论文相类似, 韦伯对这篇论文所涉及的同步信号纯属碰巧的概率也作了估计, 结果从数百天到 7,000 万年不等, 这其中 7,000 万年才能碰巧一次的信号简直就只能来自引力波了。 因此韦伯用不再含糊的口气作出了结论: “这是很好的证据, 证明引力波已被发现了。” (This is good evidence that gravitational radiation has been discovered.)

1970 年, 韦伯再接再厉, 又发表了第四和第五篇论文。

其中在第四篇论文中, 韦伯改变了发布结果的方法, 不再提供信号出现的时间。 读者们也许还记得, 在第一篇论文中, 韦伯曾因为 “并未有人观测到与他的信号相伴随的其他天体物理效应”, 而得出了那些信号 “源自引力辐射显得很不可能” 的结论。 如今, 随着信心的屡次增加, 他不仅不再谈论 “源自引力辐射显得很不可能” 那样的丧气话, 甚至不再提供信号出现的时间了, 这在一定程度上意味着他已不再关注 “与他的信号相伴随的其他天体物理效应”, 或者说不再寄望于用 “其他天体物理效应” 来印证了自己的信号了[注六]

那么, 韦伯发布结果的新方法是什么呢? 是改为了只提供给定时段内纯属碰巧的信号数目与实际信号数目的比较。 在这两个数目中, 前者可通过概率手段估计出, 后者则是实际探测到的同步信号数目。 这两个数目倘若相近, 则说明探测到的同步信号大都是纯属碰巧。 不过韦伯发布的数据显示, 后者比前者大一个数量级左右, 因而并非纯属碰巧。

韦伯发布结果的这种新方法是很笼统的, 但也并非毫无无目的的笼统, 因为这种新方法便于表述一类新的探测结果。 在那类探测中, 韦伯将其中一个 “韦伯棒” 的记录时间延后了两秒。 这类新观测的意义在于: 对于纯属碰巧的信号来说, 因为本就是随机的, 延后与否都纯属碰巧, 从而信号数目不会有显著变化; 但引力波造成的信号乃是必然同步的, 延后两秒就会不复存在, 从而信号数目会显著减少。 因此, 延后两秒是否会导致实际探测到的同步信号数目显著减少可视为判断信号来源的辅助手段, 若显著减少, 则说明信号是引力波造成的。

那么探测的结果如何呢? 韦伯在论文中宣布, 通过对为期 20 天的延后两秒的数据进行分析, 他发现信号数目显著减少了, 于是可以得出结论: 这类观测 “支持了早先得出的引力辐射已被观测到的宣称。” (support the earlier claim that gravitational radiation is being observed.)

以上四篇论文无论在口气还是实验手法上都显示出一种层层递进的雄辩性, 这种雄辩性吸引了很多人的关注。 就连研究领域相当理论化的霍金也一度被韦伯所吸引, 不仅于 1970 年撰文讨论了引力波的探测, 并且将韦伯探测到引力波视为了已确立的事实。 在引力波探测的后续征程中将起到重要作用的美国物理学家索恩 (Kip S. Thorne) 则在 1972 年发表的综述中表示: “我们认为韦伯的引力波实验证据相当有说服力”。 而一些原先认为引力波太过微弱, 引力波探测太过渺茫的实验组则转变了看法, 开始认真跟进。 那些实验组的跟进可视为韦伯的影响力快速扩展的标志。

然而不无戏剧性乃至悲剧性的是, 韦伯影响力的扩展虽快速, 坠落的速度却也毫不逊色, 因为他的第五篇论文——也是 1970 年发表的第二篇论文——就成为了自己 “滑铁卢” 的一部分。

这 “滑铁卢” 其实早在 1969 年就开始了。 1969 年 7 月, 在以色列举办的一次学术会议上, 韦伯作了个报告, 在报告中他出示了一批数据, 显示被他认定为来自引力波的信号呈现出 24 小时的周期性。 韦伯表示, 这种周期性意味着引力波来自天空中的一个固定方向。 相对于 “韦伯棒” 来说, 每当地球的自转使那个固定方向接近天顶时, 信号就会变强, 由于地球每 24 小时自转一圈, 因此信号呈现出 24 小时的周期性。 至于那个固定方向究竟指向何方, 韦伯的猜测是指向银河系的中心——这是银河系范围之内引力场最强, 从而最有可能频繁产生引力波的区域。 韦伯的这一报告首次涉及了引力波的来袭方向, 可算是将引力波探测推向了一个新的层面。

可惜这项研究犯了一个巨大的错误。

几乎立刻就有物理学家指出, 对引力波来说地球是完全透明的[注七], 因此假如引力波来自一个固定方向, 则这个方向在天顶附近跟在地球背面的天顶附近, 对 “韦伯棒” 的影响应该是完全相同的。 这意味着来自引力波的信号应呈现出 12 小时而非 24 小时的周期性。

这一错误让韦伯陷入了巨大的尴尬。

之所以尴尬, 不仅因为这一错误对引力波的研究者来说是非常低级的错误, 更是因为韦伯居然能拿出数据来支持这样的低级错误, 这几乎无可避免地使人们怀疑韦伯是通过选择性地摆弄数据而炮制出自己预期的结果的。 一些物理学家后来表示, 他们对韦伯的怀疑正是始于这一错误。

这一错误被指出之后, 韦伯在上面提到的发表于 1970 年的第五篇论文, 以及发表于 1971 年的上述会议发言的书面文稿中都作了订正。 订正的方式是宣称自己粗心了, 数据所支持的其实是 12 小时的周期。 也许真的只是粗心, 但怀疑既已萌生, 就不是这种宣称所能扑灭的了。 这种宣称反倒更显得韦伯的数据是任人打扮的小姑娘, 一些物理学家从此怀疑韦伯有能力炮制出自己所需的任何结果。

对韦伯的另一类怀疑来自他宣称探测到的引力波的强度。 据韦伯自己估计, 假如他所探测到的引力波来自银河系的中心, 则要想产生他所探测到的信号, 银河系的中心每年因引力波造成的质量损失将高达 1,000 个太阳质量。 另一方面, 英国物理学家里斯 (Martin Rees) 在 1972 年的一项研究中提出, 银河系中心只要每年损失超过 70 个太阳质量, 因引力束缚的减少而导致的银河系的膨胀将会被观测到。 由于我们并未观测到银河系的膨胀, 这表明来自银河系中心的引力波没有韦伯估计的那么强, 从而也就不可能如此频繁地被韦伯探测到。 不仅如此, 倘若银河系中心每年因引力波造成的质量损失果真高达 1,000 个太阳质量, 则别说是银河系的中心, 就连整个银河系都撑不了几亿年就会耗尽质量, 这跟银河系已有近百亿年高龄的事实是完全冲突的。

当然, 这类怀疑倒并非没有回应的余地, 因为对银河系中心每年因引力波造成的质量损失的估计并非毫无争议。 这种估计有赖于几个基本假设, 具体地说是假设了银河系中心所发射的引力波是各向同性的, 是持续的, 并且具有较宽的频谱。 这些假设每一条都不是必然的, 比如美国物理学家米斯纳 (Charles Misner) 就认为, 银河系中心所发射的引力波完全有可能具有显著的方向性而非各向同性, 若如此, 则对质量损失的估计可显著调低; 英国物理学家夏马 (Dennis Sciama) 则进一步认为, 银河系中心所发射的引力波完全有可能是断断续续而非持续的, 这同样能显著调低对质量损失的估计。 最后, 银河系中心所发射的引力波的频谱倘若很窄而非较宽, 则对质量损失的估计还可进一步调低。

不过, 上述回应虽能消除或减弱银河系中心质量损失太快带来的困难, 却都有不小的 “副作用”, 要求有高度的凑巧性, 要求韦伯处于超级的幸运中。 比如银河系中心所发射的引力波若具有显著的方向性而非各向同性, 则 “韦伯棒” 必须幸运地处在引力波较强的方向上; 银河系中心所发射的引力波若是断断续续而非持续的, 则 “韦伯棒” 必须幸运地恰好是在有引力波的时段倾听着时空的乐章; 引力波的频谱若是很窄而非较宽的, 则那个很窄的频谱必须恰好包含 “韦伯棒” 的共振频率。 这类诉诸偶然性的解释因带有撇不清的诡辩色彩, 除非有充足证据, 否则是不受欢迎的。

而对韦伯最系统的打击, 则是来自那些一度可视为韦伯影响力快速扩展的标志的实验组。 因为有韦伯的开路在先, 那些 “站在韦伯肩上” 的实验组以极快的速度建起了多个 “韦伯棒”, 而且在精度上不仅毫不逊色, 甚至犹有过之。 仅仅一两年之间, 那些实验组就陆续出了初步结果, 然而却全都是 “零结果” (null result), 没有一个能印证韦伯的 “发现”。

1972 年, 在美国得克萨斯州举办的一次相对论天体物理会议上, 多个实验组报告了自己的 “零结果”。 虽然由于探测时间较短, 那些 “零结果” 尚不能一锤定音, 但足以加深物理学家们对韦伯的怀疑, 并且足以显示出像韦伯那样频繁地观测到引力波信号是极不可能的。

在接下来的几年里, 那些实验组继续沿着韦伯开辟的道路前进, 积累着数据, 却始终未能发现任何能让韦伯高兴的结果——也就是未能发现任何经得起复核的信号。 在那些实验组所用的 “韦伯棒” 中, 有的连共振频率都跟韦伯的相同, 从而使韦伯甚至无法以引力波只在他所探测的频率上才存在这种小概率假设为借口来辩解。

随着 “零结果” 的持续积累, 韦伯遭到了越来越猛烈而系统的批评。 那些批评所针对的已不仅仅是无法重复韦伯的观测, 而且还切实指向了韦伯所犯的具体错误, 比如韦伯用来确定同步信号的计算机程序被发现存在错误, 比如韦伯对数据的处理被发现存在不自洽的地方, 有些批评者甚至毫不客气地将矛头指向了韦伯的诚信, 指责他对数据的处理不诚实。 焦头烂额的韦伯对其中最严重的 “不诚实” 指控作出了否认, 然而糟糕的是, 否认过程中牵扯出的信息反倒证实了他确实对数据采用过不自洽的处理, 目的是找出尽可能多的同步信号。

而最惨不忍睹的则是, 韦伯曾报告过一批他的数据跟另一个实验组的数据之间的同步信号, 这原本可作为强有力的证据, 显示韦伯的数据具有能与其他实验组相互比对的客观性, 结果却被发现双方所用的时钟根本不在同一时区——韦伯用的是美国东部时间, 另一个实验组却是用的格林威治时间。 彼此相差好几个小时的数据被韦伯当成同一时区的数据进行比较, 居然还搞出了一大批同步信号! 这个形同丑闻的错误对韦伯的信誉造成了毁灭性打击, 同时也说明了他处理数据的方法哪怕是诚实的, 也不过是诚实的错误, 具备无中生有的能力。

韦伯昙花一现的声望就此坠下深渊。

“韦伯棒” 信号记录片断

“韦伯棒” 信号记录片断

若干篇论文, 若干次会议, 若干个报告, 细节越来越多, 口气越来越肯定, 却如沙滩垒塔般在越垒越高之后, 最终垮塌下来。 在一个半开玩笑的意味上, 我们或许可将《六祖坛经》中那则风动, 幡动, 还是心动的小故事套到韦伯探测引力波的故事上来——当然寓意不尽相同: “风动” 是引力波的作用, “幡动” 是 “韦伯棒” 的振动, “心动” 则是韦伯对探测引力波的巨大心理期望。 风动, 幡动, 还是心动? 对韦伯的探测来说, 可基本确定为 “心动”。 从 “韦伯棒” 所记录的信号图线看, 也确实像是纯粹的噪音, 只有 “心动” 的人才能从中看到 “风动” 导致的 “幡动”。

由于韦伯的声望坠下深渊, 我们在 上节 中提到过的辛斯基所 “囤积” 的 60 本博士论文也陷入了 “滞销” (积压了 55 本), 精心准备的《引力波探测器设计者手册》则乏人问津 (那些跟进的实验组看来并不需要 “手把手” 的指点), 就连他千辛万苦才完成的 “校准实验” 的结果——即 “韦伯棒” 的空间探测精度为 10—16 米——也遭到了怀疑, 被怀疑是显著的高估, 实际的精度也许只有 10—13 米。

虽然遭到学术界的否定, 韦伯本人却痴心不改, 终其一生都坚信自己探测到了引力波。 在韦伯的办公室里, 到处堆着书架和文件柜, 只有一条窄窄的过道通往办公桌, 办公桌上方的墙上则贴着一幅爱因斯坦的相片。 韦伯直到退休之后, 依然不时地前往实验室查看结果。 对于其他实验组无法重复他的观测, 韦伯先是将之归因于那些实验组的技术有问题, 后来又以 “阴谋论” 的手法将之归咎为美国激光干涉引力波天文台想要垄断引力波探测, 从而不允许 “韦伯棒” 出结果。 这种近乎偏执的态度是不太光彩的, 也是韦伯故事里最具悲剧性的色彩。 一些同事认为, 假如韦伯不是如此顽固地坚信自己, 他在这一领域所能得到的敬意将远远超过他实际得到的, 他的顽固和偏执使他不必要地被边缘化了。

在强大的反证据面前, 早年支持过韦伯的物理学家大都转变了看法, 只有美国物理学家戴森在一定程度上维持了原先的立场。 直到 1999 年, 戴森还重申了对韦伯的支持——虽然支持的层面变得有些抽象了。 戴森表示, 人们始终不相信有可能存在如韦伯所宣称的那么多引力波的波源, 可射电天文学的发展史上曾有过一个类似的先例, 那就是人们一度不相信能找到射电源, 因为有人通过计算发现太阳在射电波段的辐射强度只有光学波段辐射强度的一万亿亿分之一 (10—20), 那么小比例的辐射出现在遥远的其它恒星上是不可能被探测到的。 但后来人们发现了大量的射电源, 完全推翻了原先的看法。 戴森说他心中始终存着这个例子, 因此觉得宇宙中完全有可能存在各种各样没人梦想得到的源。

我读戴森晚年的文字, 不止一次地感觉到他有一种滥用可能性的 “和稀泥” 风格——比如他曾表示过科学和宗教都在探索真理, 因为两者都有规范和多样性; 他还对进化论与神创论各打五十大板, 主张两者要彼此尊重。 具体到韦伯探测引力波的事情上, 当然谁也不敢说宇宙中不可能有 “各种各样没人梦想得到的源”——包括引力波的波源, 但戴森说这话的时候——即 1999 年——已有大量技术比韦伯的先进得多的 “韦伯棒” 进行了几十年的探测, 却不曾发现任何经得起复核的信号[注八]。 莫非那些源是只有韦伯本人的 “韦伯棒” 才能探测到的? 那倒真是 “没人梦想得到” 了。

不过在结束本节的时候, 有几点是应该替韦伯美言一下的: 第一, 他虽终其一生都坚信自己探测到了引力波, 甚至坚信到偏执的程度, 但他公开允许同行们到他的实验室来检查数据和设备, 在这点上他是谨守学术规范的。 第二, 他的顽固并未使他失去幽默感。 韦伯的第一任妻子 1971 年去世之后, 他与第二任妻子、 美国天文学家特林布尔 (Virginia L. Trimble) 结婚。 数十年后, 在与人谈起此事时他微笑着表示: 刚结婚时他比妻子有名, 现在两人对换了。 第三, 韦伯虽然失败了, 甚至在某些方面失败得不太光彩——起码不太潇洒, 但他作为引力波探测的先驱人物将被科学史所铭记。 事实上, 他的 “韦伯棒” 如今已被包括美国激光干涉引力波天文台在内的若干机构所收藏。

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注释

  1. 细心的读者也许注意到了, 上节 中频繁使用的 “韦伯等人” 如今变成了 “韦伯”, 这不是疏忽, 而是因为发布观测结果的五篇论文全都是韦伯一人署名的。 对于这一点, 有物理学家私下替韦伯的合作者鸣过不平, 但那些合作者本人并未公开表示过不满。
  2. 这两个 “韦伯棒” 中的第二个乃是 “校准实验” 中作为引力源的那个 “韦伯棒” 改成的 (说明此时 “校准实验” 已经完成)。
  3. 但由于相距只有三公里左右, 甄别干扰的能力有限, 比如像地震那样具有较大影响范围的干扰依然能对两者造成大致相同的影响, 从而依然难以甄别。
  4. 韦伯没有明确说明他那些相距不远的 “韦伯棒” 之间的距离为何一会儿是 “三公里”, 一会儿又是 “两公里”, 不过考虑到他总共建造了六个 “韦伯棒”, 不排除是在不同的探测中用到了不同的 “韦伯棒” 组合。
  5. 我们在 上节[注八] 中提到过, 韦伯对同步信号的界定确实是比较粗糙的。
  6. 因为所谓 “与他的信号相伴随”, 首先就是在时间上相伴随, 因而信号出现的时间一旦抹去, 则除非特意向韦伯索要数据, 就没人能用 “其他天体物理效应” 来印证韦伯的信号了。 当然, 指出这一点倒也并不是说发射强引力波的物理过程一定能用容易观测的其他天体物理效应来印证。
  7. 别看引力如此强大, 在自然界已知的四种相互作用中, 它其实是最弱的一种, 远比冠着 “弱” 字的弱相互作用还弱得多。 只参与弱相互作用的中微子尚且可以轻松地穿透地球, 只参与引力相互作用的引力波穿透地球就更不是问题, 因而地球对引力波来说是完全透明的。
  8. 以 “韦伯棒” 为手段的引力波探测哪怕在韦伯的信誉破产之后依然进行了很久, 其中包括技术水准远超昔日的所谓第二代 “韦伯棒” (即 “低温棒”, 参阅 上节[注七]), 却依然没有探测到任何经得起复核的信号。

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