1
| 本文作者： 知社学术圈 | 2016-10-04 09:41 |
雷锋网按：本文由知社学术圈原创发布。
物理学家也有如此精彩的人生......他曾因坠入爱河而被MIT退学, 领导研究宇宙背景辐射却被诺贝尔忽略, 中学同学早在50年前就得了物理诺奖，LIGO之父本周会再创传奇么？
50年前，Rainer Weiss就梦想着有朝一日人们能够探测到引力波 -- 爱因斯坦广义相对论预言的存在于宇宙时空中的微小涟漪。去年秋天，他终于梦想成真：1000多名物理学家在激光干涉引力波天文台(LIGO，Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) 探测到两个距离地球10亿光年的巨大黑洞在旋转靠近时产生的引力波。这一伟大的发现让很多人都相信LIGO的发明者，Rainer Weiss，会获得诺贝尔物理学奖。
Weiss是麻省理工学院的物理学家，今年已经83岁。他出生不久就流离失所，从纳粹德国逃难到纽约。念大学的时候，又因为迷恋一位女子而荒废学业，最终被劝退。找到工作，Weiss又好不容易才在MIT拿到终身教职。可是，Weiss发明了LIGO，并为之努力了40多年。探测引力波可以说是史上最艰苦卓绝的科学实验，最终，他终于如愿以偿，梦想成真。无论以哪种标准来衡量，Weiss的人生都是非比寻常。
1932年，Weiss出生在德国柏林一个犹太家庭，父亲是一个神经学家，热衷于共产主义，母亲是一个舞台剧演员。为了逃离纳粹的魔爪，他们举家搬到捷克斯洛伐克的布拉格。可是好景不长， 1938年，英国首相张伯伦签署条约，将捷克的一部分割让给纳粹德国，这家人不得不再次迁移，最后在1939年1月来到纽约。仅仅两个月之后，纳粹铁骑就占领了布拉格。
Weiss曾回忆说他从小在一个被忽视的环境长大。父亲因为语言问题，考不过行医执照，只好做心理咨询，最后成了有名的心理医生。母亲则不得不打各种零工补贴家用。他们两个人常常吵架，将家庭不幸归结于希特勒。“我的父母对我毫不理会。父亲太忙了，很以自我为中心，无法太多的关注我，而妈妈又给了妹妹太多的偏爱”。不过Weiss从小还是受到很好的教育，上了当地极富盛名的学校，同学中就有下图大名鼎鼎的Murray Gell-Mann，1969年就得了诺贝尔物理学奖。另一个同学Michael Wallach成了杜克大学脑科学教授。Weiss及其聪明，在学校成绩相当不错，不过老师常常拿Gell-Mann打击他，而他也不时逃课，有一次争吵甚至弄断Wallach的腿。
Weiss从小就是一个经验老道又有匠人天赋的孩子。从孩提时代起，他就痴迷于古典音乐和电子学，常常售卖自己做的一些电子玩意。
Weiss的儿子，波士顿美术博物馆的馆长Benjamin Weiss说，“假如我父亲逃课了，大部分时候他并不是在街上闲逛，而是去市政厅听钢琴演奏了。我想，他之所以被修补的手艺所吸引，是因为原生家庭里那种冷漠的气氛。他是一个德国难民的孩子，父母遵循着那种自律的传统，他想通过做手艺来反抗他们。” Weiss的妹妹，剧作家Sybille Pearson也说她的哥哥花了很多时间想逃离这个让他不开心的家庭。但是，作为唯一的儿子，他在家里的地位其实还是像王子一样。比如，一旦搬家到一个新的地方，Weiss都会得到最大的卧室。Weiss常常从军队那里买一些剩余的零件，在他的卧室外面修理收音机。他甚至和当地的小混混做交易，如果他们允许他出入地铁时带着收音机，那他就免费帮助他们修理电器。
高中毕业后，Weiss如愿以偿进了MIT，学习电器工程。他觉得这个专业可以解决高保真的问题，但是课程设置却很让他失望，关注点都在发电厂的动力装置上。于是Weiss换到了物理专业。大学三年级的时候，在从楠塔基特岛到波士顿的渡轮上，Weiss遇到一个女人。“她教我跳当地的舞蹈，还教我弹钢琴，我陷在爱情中无法自拔，几近疯狂”，Weiss回忆道。他追随着她搬到了芝加哥边上的埃文斯顿，期间逃了很多课，却没有得到美人芳心 -- 他的疯狂令她恐惧。失恋的Weiss回到MIT想拿到他的学位，却发现因为所有课程都不及格，他已经被退学了。那个他深深迷恋，最终却没有在一起的女人，在他身上留下深深的烙印。她在20岁的时候教会Weiss弹琴。从此，每天晚上他都会弹一个小时。
“人们都说，被大学退学，我的生活完蛋了。” Weiss回忆道，“但是，我觉得根本就不是这么回事。” Weiss在MIT找了一份技术员的职位，为物理学家Jerrold Zacharias工作。Zacharias用光和微波研究原子和分子的射线，并且研制出了第一个商业化的原子钟。在Zacharias的帮助和指导下，Weiss在1955年拿到了学士学位，1962年拿到了博士学位。
Weiss对Zacharias充满感激，办公室墙上挂着Zacharias的大照片。“是他把我捞回了学校，然后又把我送到了研究生院，即便当时我满身都是伤痕”。
博士毕业后，Weiss去普林斯顿大学做物理学家Robert Dicke的博士后，研究引力的实验测试。1964年他重新回到了MIT做助理教授。那时候他几乎不发表文章，也从不为晋升的事担忧。他在MIT的同事Bernard Burke回忆说，“Weiss是一个快乐的人。但是，如果他不做出点什么名堂来，是不可能在MIT拿到终身教授的。”不出所料，Weiss很快就一鸣惊人。
当时，Burke建议Weiss把关注点从引力转移到宇宙微波背景（CMB）辐射的测量。这是1965年发现的电磁波，被为是宇宙大爆炸时期留下的余晖，因为宇宙无休止的膨胀，波长不断变长。然而在当时，这两者之间的关联仍然充满争议，缺少充分的证据。大爆炸时期的辐射应该有一个峰值不对称的热线谱，能够显示辐射的温度。在长波段，很多的研究组都观测到了一个与绝对零度以上3°C相符合的上升热谱。不过，到了1968年，火箭的测量发现了大量的短波辐射，与热线谱相悖，也不支持大爆炸假说。
为了研究这个现象，Weiss和他的研究生Muehlner建造了一台可以搭载气象气球飞行并测量较短波长微波频率的设备。1973年，在3次飞行和1次重建以后，他们得到了和热线谱非常符合有效的数据，这个数据也首次证明了峰值。“这组数据完全推翻了火箭测量的结果。”Bureke说。“毫无疑问，在所有这些对微波背景感兴趣的人群中，Weiss变成了一颗耀眼的明星”。在MIT物理系，这一工作也为他稳固了地位。伯克利前校长Robert Birgeneau 1975年到2000年之间在MIT任职，他说Weiss喜欢去蓝领工人光顾的酒吧喝两杯，与很多同事并不合拍，但他对科学的热情和追求重要高难问题的勇气使他赢得了同事的尊重。
CMB的研究不仅仅使Weiss获得了终身教授，也让他在科学界成为领袖。1976年，美国宇航局NASA开始研发宇宙背景的探测卫星（COBE），项目的科学工作组选举Weiss为主席。1989年，COBE测量到高精度的微波光谱，确凿无疑地证明了CMB拥有热线谱。它也能检测到天空中点与点之间1/100000的微小温度变化，从而追踪新生宇宙中无限小量子涨落的痕迹。这对于宇宙标准模型至关重要。2006年，美国人John Mather 和George Smoot因为分别测量微波光谱和检测到这种波动而共享了诺贝尔物理学奖，而不少物理学家认为Weiss也应该分享这个荣誉。
其实在COBE之前，还没有拿到MIT终身教授的时候，Weiss就有了LIGO的想法。那是上世纪60年代，物理系让他教广义相对论这门课。“我不能告诉他们我根本就不懂广义相对论”，Weiss说，所以，他要好好学习让自己比学生懂得更多。Weiss把关注点放在引力的实验测试。课堂上，学生们让他讨论马里兰大学Joseph Weber做的实验，通过圆柱形的铝棒探测引力波。Weber认为引力波会拉伸圆柱，从而像音叉一样振动。1969年，Weber声称他发现了引力波，却没有人能够重复。
Weiss搞不明白Weber的方法，所以发明了自己的方式，基于L型的干涉仪。干涉仪将激光分开，把两束光垂直地传输到下游的臂上。光束从镜子上反射回来，回到分光器的位置。假如两个臂的长度精准的一致，返回的光波就是同步的，重新结合后就会回到激光器。可是，如果“分支”的长度哪怕有一点点的差别，失准的重叠就会使一些光从垂直的“黑点”中泄露出去。Weiss意识到这可以用于探测引力波，因为“分支”长度会被经过的引力波拉伸而变得不同。他把这个想法布置成作业给学生做，同时写了一篇23页的报告，发表在MIT电子研究实验室的季度新闻刊物上。LIGO就萌芽于这篇文章。
不过从论文中的想法到LIGO的开工，还是经历了漫长的路程，历时20多年，花费3亿美金，测量精度达到质子宽度的万分之一。它由两个4千米臂长的干涉仪组成，分别位于美国相距3000公里的Livingston和Hanford。然后，然后就是去年九月的那一天，大家都知道了，人类首次探测到引力波。
Weiss的平静生活也因此被颠覆了，大家都希望他能够获得诺贝尔奖。如果不是下个礼拜（本周）的话，那么一定会是明年。其实，Weiss和LIGO的创办人，加州理工的Kip Thorne以及Ronald Drever已经赢得了很多的奖项。“不瞒你说，这些奖让我很不安”，Weiss说，“我会用90%的奖金帮助研究生，但是我并不是一个英雄。”
雷锋网注：知社学术圈——海归学者发起的公益学术交流平台，旨在分享学术信息，整合学术资源，加强学术交流，促进学术进步。转载请联系授权，并保留出处和作者，不得删减内容。
雷峰网原创文章，未经授权禁止转载。详情见转载须知。
