文：哈利．柯林斯

重力波探測簡史

1993年諾貝爾物理學獎，頒給歷經數年觀測出雙星系統軌道速度以緩慢方式衰減，並導出其衰減與重力波發射一致的實驗。然而，我們這裡所關注的重力波偵測是它對地面偵測器「直接」影響的結果，而非其對星球的影響。熟知內情的人士認為，第一個無可爭議的直接偵測會發生在6到10年後，而這距離該領域的先驅約瑟夫．韋伯首次宣稱看到它們，已經過了幾乎整整50年。

他的宣稱並非毫無爭議。從1960年代末期以來大約有半打讓人疑信參半的宣稱，說自己已經看到了重力波，韋伯就是其中之一。但物理學界大多數成員已將其歸之為「錯誤」。在外人眼中，這個領域的名聲要不是不可靠，要不就是碎弱得不堪一擊，重力波研究社群因此而生的羞愧感，即使在兩造的抗力平衡下，經常是以很強烈的態度否定這些成果。就連這個學術企業的新進者也必須為花費上億美元在超大儀器這一點上加以辯護──這裡指的就是那台巨型「干涉儀」──他們認為這最終將能夠得出確實的偵測，並且足以彌補過去的錯誤；如果廉價舊技術真的可以看到重力波，新的就失去其必要性，因此必須損害廉價舊技術的信譽。

舊技術的支持者強烈反對自己的計畫遭到摧毀，從而導致雙方徹底的對立。後果就是，幾十年來大多數干涉儀科學家的創造動能都被導向發現缺陷；他們主要做的變成是在呈現對手或爾後他們自己的偵測器中的這個或那個推定信號，實際上只是雜訊。這種負面心態問題已成為一種主要特徵，而這就是本書接下來所要關注的問題。在阿卡迪亞會議中，這段苦澀的歷史瀰漫在走廊裡，幾乎觸手可及。

韋伯與重力棒

約瑟夫．韋伯（Joseph Weber）是馬里蘭大學的物理學家，在1950年代開始構思如何偵測愛因斯坦理論中的重力波預測。重力波是指因質量的位置快速變化所引起的時空漣漪，但它們相當微弱，只有宇宙中發生非常巨大的變化，例如恆星或黑洞的碰撞或爆炸，才有可能在地球表面產生足以被偵測到的輻射。要嘗試偵測重力波需要過人的想像力、做實驗的天賦，和英雄般的愚勇。韋伯具備了合適的素質，他建造了一系列的偵測器，一部比一部靈敏；60年代末，他開始宣稱自己看見了重力波。

韋伯的實驗設計是基於時空漣漪會引起一大塊金屬振動，從而可被感測。他建造了重達數噸的鋁合金圓柱，並設計可產生共振的效果──如同敲響了與天空波源發出有可能相似頻率的鐘鳴。每一個關於這些波的能量計算，以及它們可能與韋伯的偵測器產生交互作用的方式，都暗示這個實驗沒有一點希望，一開始韋伯也不認為自己有希望。但他依然堅持下去。

韋伯讓這個鋁合金圓柱與所有可以想到的力量絕緣，但要看到重力波，它必須偵測到大小為10^-15公尺，也就是原子核直徑等級，甚或比這個更小的圓柱長度變化。然而，不管如何小心地使其絕緣，這種規模的震動在金屬中一直存在。關鍵是，韋伯建造了兩個圓柱設備，並將它們分開放置，兩者距離大約1000英里；然後比較兩個圓柱的振動。韋伯當時的想法是，要讓兩個偵測器正巧同時發生脈衝，也只有像重力波這種，來自遠處的力量，才有可能促使其發生。

兩個圓柱有可能受到隨機的振動干擾，必然會有巧合的脈衝發生，這是偶然性的結果。但韋伯使用了一個非常聰明的分析法。他用的是一種叫做「延遲直方圖」（delay histogram）的方法，也就是時下所謂的「時間滑動」（time slide）或「時移」（time shift），40年來這種方法始終是探測重力波的核心之道，在可預見的未來也仍是如此。想像一下，偵測器在一張延展開的細長紙條上畫下輸出信號，就像一台記錄一天溫度變化過程的機器，但在這個例子，感測振動是一微秒接著一微秒；它畫出的將是一條有著各種不同大小脈衝的扭曲線條。將兩張來自不同偵測器的長紙條並列，看著兩條歪歪扭扭的線，並特別留意大脈衝巧合的時間點。這些時間巧合（coincidences）可能是由同一個外界干擾引發，如重力波，或只是一個隨機卻同時發生在兩個偵測器的雜訊（noise）。

這裡就要說到韋伯的聰明之處了：把一張長紙條移動一下，並再做一次大脈衝比對。由於兩張紙條在時間上不再對應，此時再發現的任何巧合都只會是偶然的。透過重複幾次這樣的過程，利用一連串不同的時間滑動，就可以對有多少時間巧合僅是由隨機偶然造成的，有個清楚的概念，進而建立「背景雜訊」圖像。一個正確的信號將會以真正時間巧合脈衝數的過量呈現，也就是其時間巧合脈衝數，會超過從時間滑動產生的背景雜訊估計量。

時間滑動也可以稱之為「延遲」。用韋伯的話來說，就是信號將會以一個「零延遲」（zero-delay）的過量呈現出來。今日，科學家尋找的已非一個零延遲的「過量」，而是在不同偵測器信號之間孤立的時間巧合。儘管如此，計算出這些時間巧合可能為真，而非隨機出現的雜訊，仍是以背景雜訊估計為基礎，而背景雜訊估計是使用了近似於韋伯首先提出的方法所得到的。

韋伯在1960與1970年代交替之際發表了一些論文，宣稱他已經偵測到重力波，其他團體試圖重複他的觀測，卻沒有成功。大約到了1975年，韋伯的說法在很大程度上已經失去了信譽，而這個領域仍繼續向前挺進。韋伯的偵測器設計仍然是大多數新建實驗工作的基礎，但更進階的實驗則提高了靈敏度，並經由液態氦冷卻的方法降低了「重力棒」的背景雜訊。大多數的實驗會冷卻至2度到4度的絕對零度之間，之中有一、兩個團隊試圖冷卻到距離絕對零度只有幾毫度的差距。整體來說，直到2000年代初，這樣的「低溫棒」（cryogenic bars）都是該領域的主導技術。只有兩個團隊仍對韋伯的說法抱持信念，一個在弗拉斯卡蒂（Frascati），有時被稱為「羅馬集團」或「義大利人」，另一個是澳大利亞團隊，他們提出了大多數重力波科學家認為是錯誤的成果──而這個觀點現在幾乎不可能推翻了。