約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）第一個充滿遠見地認識到，測量引力波並不是完全沒有希望。1940年，韋伯帶著工程學士學位到美國海軍學院讀研究生，二戰時在勒星頓號航空母艦上服役，艦在珊瑚海戰役沉沒後，他成了690號潛艇的指揮官。1943年攻佔意大利時，他率領小羅斯福（Theodore Roosevelt，Jr.）准將和1 900名突擊隊員登岸。戰後，他是美國海軍艦船局電子對抗部的領導。他在無線電和雷達技術方面的造詣是出了名的，所以，1948年馬裡蘭大學請他去擔任電子工程學教授，他同意了——成為一名只有大學學士學位的29歲的正教授。
在馬裡蘭大學講電子工程的同時，韋伯也在準備改行：在天主教大學跟赫茲菲爾德（Karl Herrfeld）學成了物理學博士。這位赫茲菲爾德也曾是惠勒的博士導師。韋伯從他那兒學到了很多關於原子、分子和輻射的物理學，從而在1951年發現激光產生的新機制，但他沒有條件用實驗來證明他的思想。在韋伯準備發表他的思想時，1另有兩個小組——一個在哥倫比亞大學，由湯斯領導；一個在莫斯科，由巴索夫（Nikolai Gennadievich Ba-sov）和普羅哈洛夫（Aleksandr Michailovich Prokharov）領導——獨立發現了另一種新機制，而且他們接著就實現了激光。1
儘管韋伯關於這個機制的論文最先發表，但他幾乎什麼榮譽也沒得到；諾貝爾獎和專利都給了哥倫比亞和莫斯科的科學家。2韋伯很失望，但他與湯斯和巴索夫仍然很友好。他又去找新的研究方向。
韋伯先找到了惠勒的研究小組，參加了一年，成為一名廣義相對論專家，跟惠勒一起研究廣義相對論對引力波性質的預言。1957年，他又找到了新方向，開始建造世界上第一台尋找和監測引力波的儀器。
從1957年下半年開始，到1959年初，韋伯想盡了他能想到的各種引力波探測方案。這還只是在紙上的腦力訓練，沒做實驗。他的想法寫滿了4本300頁的筆記，包括可能的探測器設計和每一設計預想步驟的計算。一個個想法都因為粱有希望而被他扔到一邊。但有幾個還有希望，韋伯最後選擇了一根圓柱形鋁棒，長約2米，直徑0.5米，重1噸，側面指向到來的引力波（圖10.4下）。2
引力波因為潮汐力的振蕩，將交錯擠壓和拉伸鋁棒的兩端。鋁棒兩端具有相對於中心向裡和向外振動的自然振動模式，能與振蕩的潮汐力發生共振。這種自然振動模式就像鈴鐺、音叉或者酒瓶的聲音一樣，有非常確定的頻率，與這些自然頻率相應的聲波能使這些物體產生共鳴；同樣，與棒的自然頻率相應的振蕩潮汐力也能引起棒的共振。於是，以這種棒作為引力波探測器，應該將棒的大小調整到使它具有與到來的引力波相應的自然頻率。
頻率該是多少呢？1959年韋伯開始他的計劃時，相信黑洞的人很少（第6章），相信者也只認識很少一點兒黑洞性質。那時還沒人想到黑洞會碰撞、結合併發射記錄它們碰撞歷史的時空曲率波，也沒人能就其他的引力波源提出有多大希望的指導。
所以，韋伯是從黑暗中摸索起步的。他惟一的指南是粗略（卻是正確的）知道引力波的頻率大概低於10 000赫茲（每秒轉10 000周）——那是物體以光速繞最緊致的恆星，即接近臨界周長的恆星運動的軌道頻率。3於是，韋伯設計了他能做到的最好探測器，讓它們的共振頻率盡可能都落在10 000赫茲以下，希望宇宙也能提供具有他所選擇的頻率的波。很幸運，他的鋁棒的共振頻率大約是1 000赫茲（每秒振蕩1 000周），後來發現來自結合黑洞的某些波正好就在這樣的頻率上振蕩。某些來自超新星爆炸和結成的中子星對的引力波，也是這種頻率。
圖10.4 韋伯在介紹繞著鋁棒中央貼上去的壓電性晶片（約1973年）。引力波驅動鋁棒兩端振動，振動將內外擠壓這些晶片，從而產生可以用電學方法檢測的電壓。[James P.Blair攝，國家地理學會提供。]
韋伯計劃裡最困難的地方在於發明一個用來監測鋁棒振動的傳感器。他料想，波產生的振動應該很小，小於一個原子核的直徑（但在60年代，他不知道那到底是多小。據最近的估計，它只有10-21×（2米棒長）≒10-21米，或者說，只有原子核直徑的百萬分之一）。對五六十年代的大多數物理學家來說，即使原子核直徑的十分之一也是不太可能測量的。但韋伯不這樣看，他發明了能勝任的傳感器。
韋伯傳感器的基礎是壓電效應：某些類型的材料（特定的晶體或陶瓷）在受輕微擠壓時會在兩端產生電壓。韋伯本想用這類材料來做他的棒，但材料太貴，他只好求其次：用鋁做棒，然後繞著棒的中央貼上一些壓電性晶體片（圖10.4）。棒振動時，表面將擠壓或拉伸晶片，每塊晶片都產生一個振蕩電壓。韋伯用電路將晶片一塊塊串聯起來，於是微弱的振蕩電壓將疊加在一起，即使棒的振動只有原子核直徑的十分之一，這樣累積的電壓也足以用電學方法檢測出來。
60年代初，韋伯還是世界上惟一一個尋找引力波的實驗物理學家。帶著激光競爭的痛苦回味，他喜歡這種孤獨。然而，在70年代初，他那令人感動的敏銳力和他實際可能檢測到了的引力波證據（現在想來，我相信他沒有檢測到），吸引了幾十位實驗家；80年代，已經有100多位有才能的實驗家投身進來，為實現引力波的天文學與他並肩戰鬥。4
我第一次見韋伯是在法國阿爾卑斯山勃朗峰對面的山坡上，那是1963年的夏天，他著手探索引力波已經4年了。那時我還是剛開始研究相對論的研究生，和來自世界各地的其他35名學生一起到阿爾卑斯山來參加緊張的兩個月的愛因斯坦廣義相對論引力定律的暑期講習班。5老師都是世界上最偉大的專家——惠勒、彭羅斯、米斯納、德維特（Bryce Dewitt）、韋伯等等——我們在課堂上聽他們講，私下裡與他們交談。南山的雪閃著耀眼的光芒，勃朗峰直插我們頭上的天空；在我們周圍，牛群帶著鈴響在綠油油的牧場上吃草，山下離學校幾百米的地方，是美麗如畫的萊蘇什的村莊。
在這迷人的地方，韋伯講引力波和他的探測計劃，也令我人迷了。課後，我與韋伯談物理、談生活，也談登山。逐漸發現，他和我個性相投。我們都喜歡獨處，不喜歡緊張的競爭和激烈的思想討論。我們更喜歡自己考慮問題，偶爾從朋友那兒聽一些建議和想法，但又不讓想趕在我們前頭獲得認識和發現的人從我們身邊超過去。
接下來的10年裡，黑洞研究熱起來了，進入了它的黃金年代（第7章）。我開始感到黑洞研究並不令人喜歡——它太緊張、太激烈、太混亂。於是我忙著找別的自由空間多一些的研究領域，那樣我在投入大部分精力後，還可以有點兒時間來研究黑洞或別的事情。在韋伯激發下，我選擇了引力波。
我同韋伯的看法一樣，引力波的研究還很幼稚，但它有光明的未來。在它萌芽時走進這個領域，我能為幫助它成長而快樂，能為後來的建設者奠定一點基礎，而且用不著別人在我耳邊嘮叨，因為大多數其他相對論理論家那時都聚集到黑洞去了。
在韋伯看來，需要的基礎在於實驗，也就是，探測器的設計、建造和不斷的改進。在我看來，基礎在於理論。我們應該努力去認識，愛因斯坦的廣義相對論定律關於引力波如何產生、如何在離開時對波源反作用，如何傳播，都說了些什麼；我們還應該判斷，哪類天體會產生宇宙間最強的引力波，有多強，以多大頻率振蕩；我們還應該發明一些數學工具來解開這些天體產生的交響曲背後的秘密，這樣，當韋伯等人最終探測到引力波時，理論和實驗才能進行對比。
1969年，應澤爾多維奇的邀請，我在莫斯科過了6個星期。澤爾多維奇向我和其他一些人講了他的一大堆新想法（第7章、12章）。一天，他抽時間開車送我去莫斯科大學，把我介紹給一位年輕的實驗物理學家布拉金斯基（Vladimir Braginsky），他在韋伯激發下發展引力波探測技術已經好幾年了，是繼韋伯之後最先進入這個領域的實驗家。他也做其他有趣的實驗，例如，尋找夸克（質子和中子的基本構成物質），檢驗愛因斯坦關於所有物體（不論它的組成如何）在引力場中以相同加速度下落的論斷（這是愛因斯坦將引力描述為時空曲率的基礎）。
布拉金斯基給我留下了很深的印象。他機敏而深刻，對物理學有非常好的感覺；他熱情而直率，很容易同他談政治和科學。我們很快成了好朋友，也學會了尊重彼此的世界觀。對我這樣的美國自由民主黨人來說，個人的自由是高於一切的，政府沒有權力叫人怎麼生活。對布拉金斯基這樣的非教條共產主義者來說，個人對社會的責任才是高於一切的。
左：1973年9月，韋伯、索恩和Tony Tyson在波蘭華沙的一次引力輻射會議上。右：1984年10月，布拉金斯基和索恩在加利福尼亞帕薩迪納。[左，Marek Holzman,Andrzej Trautman提供；右，Valentin N.Rudenko提供。]
布拉金斯基具有別人沒有的遠見。在我們1969年見面時，以及後來在1971年和1972年再見時，他都警告我，尋找引力波的棒存在著一個根本的最終極限。6他告訴我，那個極限來自量子力學。儘管我們一般認為量子力學只對電子、原子和分子那樣的小事物發生作用，但是，如果對1噸棒的振動測量足夠精確，我們會發現那些振動也有量子力學行為，而且這些行為最終會給引力波的探測帶來問題。布拉金斯基很相信這一點，因為他計算過韋伯的壓電性晶體和其他幾類可能用於棒的振動測量的傳感器的最終行為。
我不明白布拉金斯基在說什麼。我不懂他的理由，不懂他的計算，也不懂它的重要性，所以沒太注意。他向我講的其他事情似乎要重要得多：我從他那兒學會了如何考慮實驗，如何設計實驗裝置，如何預測影響儀器的噪聲，如何消除噪聲使儀器正常運行——而布拉金斯基從我這兒學的是，如何認識愛因斯坦的引力定律，如何確認那些預言。我們很快結成一個小組，每個人都把自己的專業帶進我們共同的事業。在接下來的20年裡，我們將得到巨大的快樂，也有一些發現。
70年代初期和中期，我和布拉金斯基每年都見面，在莫斯科、帕薩迪納、哥本哈根、羅馬或別的什麼地方，他每年都警告我量子力學會給引力波探測器帶來麻煩，而我每次都沒聽明白。他的警告有些亂，因為他自己也沒完全明白發生了什麼事情。然而到1976年，斯坦福大學的吉法德（Robin Giffard）在布拉金斯基後也獨立提出這樣的警告，而且說得更清楚，我才恍然大悟。我終於意識到問題的嚴重：棒探測器的最終靈敏度嚴格受測不准原理的限制。7
測不准原理是量子力學的一個基本特性。它說的是，如果你想高度精確地測量一個物體的位置，那麼在測量過程中，你必然會對物體有一種反作用，從而以一種隨機的不可預料的方式干擾物體的速度。位置測量越精確，物體速度受到的不可預料干擾就越強烈。不論儀器設計得多麼巧妙，你都不可能超越這種固有的不確定性（見卡片10.2）。
卡片10.2 測不准原理與波粒二象性
測不准原理與波粒二象性（卡片4.1）——也就是粒子有時像波、有時像粒子的行為趨向——是密切相關的。
假如你在測量一個粒子（或者別的物體，如棒的端點）的位置，確定它在某個誤差區間，那麼，不論粒子的波在測量前像什麼，在測量中，測量儀器都會對它產生反作用，從而將它約束在誤差區間內。於是，得到的波形有點兒像下面的樣子：
這樣的約束波包含了從誤差區間本身大小（圖上標極大）到波的兩端所在小區域的大小（圖上標極小）的不同波長。更具體地說，受約束的波可以通過下面這些波長從極大到極小的波動之和或疊加來構成：
現在，想像波振蕩的波長更短，粒子的能量更大，從而粒子的速度也更大。因為測量為波限定了一個波長範圍，所以粒子的能量和速度也一定落在一個相應範圍內；換句話說，它的能量和速度是不確定的。
概括地講，測量將粒子的波約束在一定誤差區間內（上面第一個圖），使波由一定範圍內的波長組成（第二個圖），而波長的範圍對應一個能量和速度的範圍，從而速度是不確定的。不論你費多大氣力，你在測量粒子的位置時，都免不了產生這種速度的不確定性。而且，更深入的論證表明，位置測量越精確，即誤差區間越小，波長和速度的範圍就越大，這樣，粒子速度的不確定性也就越大。
測不准原理不僅決定電子、原子和分子等微觀事物的測量，也影響宏觀事物的測量。但是，由於大物體有大慣性，測量的反作用只能產生很輕微的速度擾動。（速度受到的干擾與物體質量成反比。）
在引力波探測器問題上，測不准原理說的是，傳感器對振動棒兩端的位置測量越精確，測量對棒產生的隨機反作用就越強大。
對於不精確的傳感器，測量的反作用可能很小而無關緊要，但如果傳感器不精確，你從哪兒知道棒的振動幅度呢？當然也就更不可能監測到微弱的引力波。
對於極端精確的傳感器，反作用可能很大，能強烈改變棒的振動。這些巨大的未知的變化，將淹沒你想探測的任何引力波。
在這兩個極端之間，存在一個理想的傳感器精度：它既不因為太低而令你一無所獲，也不因為太高而出現不可知的強大反作用。在這樣一個現在稱為布拉金斯基標準量子極限的理想精度下，測量產生的反作用的效應幾乎與傳感器產生的誤差一樣小。沒有傳感器能比這個標準量子極限更精確地監測棒的振動。那麼極限是多大呢？對2米長、1噸重的棒來說，大約比一個原子核小100 000倍。
60年代，誰也沒有認真考慮過需要這麼精確的測量，因為沒人清楚地知道來自黑洞和其他天體的引力波會有多麼微弱。不過到70年代初，在韋伯實驗計劃激勵下，我和其他理論家已經指出了最強引力波可能具有的強度，大約是10-21，8這意味著波在2米棒產生的振動幅度只有10-21×（2米），約一個原子核直徑的百萬分之一。如果這些估計是正確的（我們也知道那是很不確定的），那麼引力波信號比布拉金斯基標準量子極限小10倍，從而不可能用棒和任何已知類型的傳感器來監測。
這實在令人憂慮，但並不是一切都完了。布拉金斯基深刻的直覺告訴他，如果實驗者有特別機靈的辦法，還是可能超越他的標準極限。他指出，這需要用一種新辦法來設計傳感器，使它不可避免的未知的反作用不會掩蓋引力波對棒的影響。布拉金斯基稱這樣的傳感器為量子無破壞3傳感器。「量子」是由於傳感器的反作用來自量子力學定律的要求，「無破壞」說的是傳感器的設計避免了反作用對被測物體的破壞，也就是反作用不會破壞引力波對棒的影響。布拉金斯基也沒有可行的量子無破壞傳感器的設計，但直覺告訴他，這樣的傳感器應該是可能的。
這一次我很認真地聽了布拉金斯基的話；在接下來的兩年裡，我和我在加州理工學院的小組以及他和他在莫斯科的小組都在斷斷續續地努力，為的就是設計一台量子無破壞傳感器。
1977年秋，我們同時找到了答案——但方法完全不同。9我清晰記得，我當時是多麼興奮。那是某一天在格裡西（學院的學生食堂）午餐後，凱維斯（Carlton Caves）和我在激烈討論中突然想到的。4我還記得，當我得知布拉金斯基、沃羅索夫（Yuri Vorontsov）和哈里利（Farhid Khalili）幾乎同時在莫斯科發現了相同的重要思想時，我心中湧起一股辛酸和喜悅的感覺——辛酸是因為我曾滿以為自己是新事物的第一個發現者；喜悅是我為布拉金斯基感到驕傲，為能和他同享一個發現而感到高興。
我們的量子無破壞思想很抽像，它允許很大一類傳感器設計超過布拉金斯基的標準量子極限。然而，因為思想抽像，我很難解釋。所以，我在這兒只講一個（不太實用的）量子無破壞傳感器的例子。5布拉金斯基稱它是頻閃傳感器。
頻閃傳感器依賴於棒振動的一個特殊性質：假如棒受到一個尖銳的未知反衝作用，它的振幅將發生改變，但不論振幅怎麼變化，經過一個振動週期後，棒的振動端將回到它受反衝時的位置（圖10.5中的黑點）。至少在引力波（或其他力）沒有同時作用在棒上時是這樣的。假如引力波（或其他力）同時在擠壓棒，那麼一個週期後，棒的位置會發生改變。
圖10.5 頻閃量子無破壞測量方法的原理。縱向畫的是振動棒端點的位置；橫向為時間。如果在反衝時刻迅速而高精度地測量一個位置，則傳感器將對棒突然產生一個未知的反衝作用，從而以未知方式改變棒的振幅。然而，在一個兩個或者若干個週期後，棒端的位置仍然不會改變，還是與反衝時刻的位置一樣，而且完全與反衝作用無關。
於是，為了探測引力波，應該造一台對棒的振動端進行頻閃測量的傳感器，也就是，傳感器在每個振動週期內很快地測一次棒端的位置。這樣的傳感器在每次測量時都會對棒產生反衝作用，但這些反衝作用在後續測量時不會改變棒端的位置。如果發現位置變了，那麼一定有引力波（或其他力）作用在棒上。
雖然量子無破壞傳感器克服了布拉金斯基的標準量子極限，但到80年代中期，我卻對棒探測器的前景感到悲觀，恐怕它不會為引力波天文學帶來什麼結果。我悲觀的原因有兩個：
第一，儘管韋伯、布拉金斯基以及其他一些人做的探測棒已經達到了50年代不可想像的靈敏度，但它們只能可信地用來探測強度在10-17以上的引力波，如果我和其他一些人對到達地球的引力波強度沒有估計錯的話，這個精度離成功還差10 000倍。這本身倒並不嚴重，因為在20年的時間裡，技術的進步常能使儀器的本領提高10 000倍。（一個例子是射電望遠鏡的角分辨率，它從40年代中期的幾十度提高到了60年代中期的幾弧秒（第9章）。另一個例子是X射線天文探測儀的靈敏度，從1958年到1978年，它提高了1010倍，就是說，平均每8年提高10 000倍（第8章））。然而，棒的進步太慢了，而且沒有未來技術和工藝的大膽計劃，看來，想在不遠的將來實現10 000倍的進步，恐怕找不到什麼可能的辦法。這樣，成功只好靠比10-21的估計更強的波了——這倒真是可能的，不過沒人願意依賴它。
第二，即使棒探測到了引力波，要解釋它的交響信號也將遇到巨大的困難，實際上很可能會失敗。原因很簡單：正如音叉或酒杯只對接近其自然頻率的聲波產生共振，棒也只對接近它自然頻率的引力波才有響應；從技術上說，棒探測器只有一個很窄的帶寬（帶寬就是它產生響應的頻率範圍），但引力波的交響信號通常混合著一個範圍很寬的頻率。於是，為了析取這些波的信息，需要一個由許多棒組成的「木琴」，每一根棒覆蓋一個不同的小頻率帶。這架木琴需要多少棒呢？用那時正在計劃和製造的那種棒，需要幾千根——這實際上是不可能的。原則上講，要增大棒的帶寬，10用十幾根就夠了，但那麼做所要求的主要技術進步比達到10-21的靈敏度還高。
儘管在80年代，我沒有公開講過多少悲觀的話，但我自己還是認為那是可悲的，因為我看到了韋伯、布拉金斯基和我其他朋友和同事為探測棒付出的巨大努力，也因為我已經相信，引力輻射有力量在我們的宇宙認識中產生革命。
[1] 他們的激光器實際產生的是微波（短波長無線電波）而不是可見光，所以被稱為脈射（masere），而不是「雷射（lasere）」。「真正的」雷射，也就是產生激光的那種，要幾年以後才實現。（maser是microwave amplification by stimulated emission of radiation的縮寫，即受激輻射微波放大，或叫微波激射；將微波（microware）換成光（light），就成Laser，即雷射或激光。——譯者）
[2] 1964年的諾貝爾物理學獎就是那三位共享的。——譯者
[3] 布拉金斯基對英語裡的微妙差別有不同尋常的敏感，他比美國人和英國人還更容易造出很有意味的新詞來描述他的新思想。（他用的「破壞」是「mondemolition」，在漢語中就難得找到那麼微妙的詞了。——譯者）
[4] 我們思想的重要基礎來自英國哥倫比亞大學的同行昂魯什（William Unruh）。這一思想的發展和結果，主要是因為凱維斯、我和在發現它時與我們同桌進餐的另外三個人：Ronald Drever,Vemon Sandberg和Mark Zimmermann。
[5] 凱維斯等人（1980）以及布拉金斯基、沃羅索夫和索恩（1980）的文章介紹了完整的思想。