Prototypes
加州理工學院的校園裡有一幢特殊的建築物，從某個角度看，它的外形與拖車非常相似。這幢裝有加州理工學院引力波探測器原型機的建築應該是工程服務中央大樓的附樓，人們給它取了一個口語化的名字——「40米」。唯一通向「40米」入口的是一條小路，一點兒也不起眼。即使手上拿著蘋果手機，借助它的精準的GPS（全球定位系統）軟件，要找到這幢建築也不是一件容易的事。電子地圖令人摸不著頭腦，它指示的位置既不在街道上，也不完全在校園的範圍內。結果，我走過了一塊工業用地，又走過了那條不顯眼的小路。
在走過了100碼[1] 之後，一直在閃爍著提示我當前所在位置坐標的手機響了。從電話傳來的聲音中，我聽出傑米有點兒傷心。是啊，他辛辛苦苦地為我標注地圖，但我還是找不到「40米」。「往回走，」他假裝生氣地說，「我來接你。」於是，我轉過身往回走。
傑米·羅林斯是雷納·韋斯以前的研究生，近些年來一直在從事40米原型機的研發工作。我們往回走了沒多遠，就看到裝貨區外面停著一輛拖車。我用手指著車門，露出一臉疑惑的表情。他也表現得很困惑：「我給過你地圖了啊？」
一扇門代表一道門檻，說明我們從這裡就可以進入這個臨時性的建築物。它其實算不上一幢建築物，而是30年前草草搭建、為實驗與研發活動遮風擋雨的一個臨時性場所。沒錯，實驗的核心操作主要是在一輛拖車裡完成的。但是，實驗室需要沿相互垂直的兩個方向，安裝40米長的管道。因此，任何與卡車大小相仿的設施都不可能滿足這個條件。我沒有參觀它的外圍，但是很明顯，拖車的前面還連接著其他結構。人們就是躲在這個普普通通的單層建築裡，辛勤工作了幾十年。現在，他們的勞動終於要出成果了。在下文中，我會想方設法地把他們的這項成果介紹給你們，因為這是一項值得花筆墨去介紹的成果。邁過這道門檻，進入拖車內部，就可以瞭解實驗的具體情況。這項實驗的目的是，通過發現不到探測器長度的十萬億分之一的空間變化，來證明引力波的存在。
比例關係在極小與極大之間不斷變換。信號非常微弱，但是信號源體積龐大；敏感度極其微妙，但是成功的回報特別豐厚；人類瞭解宇宙的雄心就像史詩遙不可及，但是天文學上的成就卻像史詩那樣蕩氣迴腸。
這幢建築與這台40米原型機不屬於任何一個人，團隊中的任何人都不是不可或缺的。在一點一滴地組建起來之後，隨著科研人員的更替，團隊又經歷了重組的過程。但是，無論站在機器後面的人是誰，這台機器都沒有停止工作。許多學生在這片狹小的空間裡學習成長，多年來「40米」實驗室也更換了幾任負責人。機器裡的每一個零部件都經過了一系列程序，包括設計、審核、製造、測試、改進、記錄、分析等，之後才與其他部分有機地結合為一體。即使是最有創造性的零部件也必須通過實施、剖析、討論和重新構建等環節，才會在兩台全尺寸的LIGO探測器（既不在加州理工學院，也不在麻省理工學院）上安裝使用。在安裝時，還要按比例放大所有零部件的尺寸，並重新調試。所有的體力勞動都必須按部就班地完成，在這個過程中，實驗人員養成了足夠的耐心，每一步都不急不躁、目標明確、立足長遠。在這台原型機前忙碌時，他們並不像太空站裡的工作人員那樣動作緩慢，而是步伐穩健、從容不迫。有時候，實驗室裡幾乎空無一人，因為人們都擠在控制室裡，監控探測器的運行情況。
進入加州理工學院「40米」實驗室後，傑米扔給我一副護目鏡，他自己也戴上了一副。他的護目鏡與他的近視眼鏡非常相似。我們套上紙鞋套，防止鞋上的塵土弄髒實驗室的地板。鞋套只有兩個尺碼——一個是特大號，一個是小號——傑米示意我拿一雙小號的鞋套。戴上護目鏡、穿好鞋套後，我們經由一條狹窄的過道穿過一個房間，房間裡有兩名研究生，還有兩名彎著腰坐在計算機前面的博士後。然後，我們又穿過一間狹小的控制室，那裡有幾台連接著光學儀器的黑白監視器。最後，我們打開一道雙開式彈簧門，進入擺放著探測器原型機的房間。門楣上、門上和門的兩邊都貼有一些標識。直覺告訴我，這些都是危險警示標識，但是我不知道它們的具體內容。幾周後，我給傑米寫了封信，請他告訴我那些標識到底是什麼意思。他在回信中說：
危險
閒人免進
激光
……
這些標識可以起到很好的警示作用，防止人們隨意闖進實驗室。實驗室既像瓷器店，又像工廠，因此在入口處需要用標識提醒人們小心謹慎，服從管理。從裝鞋套的籃子到實驗室的雙開式彈簧門有一小段距離。走完這段路程，鞋套底部會沾上塵土。為此，他們在實驗室門口的地板上放置了透明膠帶，膠帶可以消除鞋套底部的塵土。這樣，實驗室就更加潔淨了。
實驗物理學的實驗室可能與我們之前進入的任何房間都不同。這裡的燈光不會考慮美學效果，個個都非常明亮，甚至很刺眼。機器的「嗡嗡」聲不絕於耳，有的時候聽不到發動機的轟鳴聲，而只能聽到計算機設備的電扇發出的微弱聲音。這裡從不使用任何專門定制的吸音材料，機器的聲音清晰可辨，彷彿某個後工業時代的實驗性管絃樂隊在演奏。
室內有兩條不銹鋼管道，各長40米，直徑約為半米，相互垂直成L形，實驗人員把它們稱作干涉臂。干涉臂的某些部位連接著電線，旁邊有非常狹小的空間，供人們通行。待在實驗室裡，護目鏡不斷地從我的鼻樑上滑落，這讓我感到有點兒焦躁。
我問傑米：「這些護目鏡的濾光效果怎麼樣？」我想也許沒必要戴它吧。
「效果非常好。哪怕只有一個光子從激光束中逸出，進入房間，再進入你的眼睛，你就徹底完蛋了。（我確信傑米有點兒言過其實。）一定要戴好護目鏡。我們把真空的光學室搬到了大氣中。一整個星期，我一直跟這台機器待在一起。工作壓力太大了。」
在接下來的參觀過程中，我一直用一隻手將護目鏡牢牢地固定在我的臉上。
20世紀80年代初，德雷弗傾其所有，幫助加州理工學院建造這台40米原型機。他曾經認為這台40米原型機是他自己的，他還說過，「我以為我們已經達成共識了。」但是，其他人並不這樣看。
德雷弗從未考慮過探測器的所有權問題，他認為探測器不屬於雷納或者其他任何人。公平地說，雷納也沒有動過這樣的念頭。雷納毫不猶豫地指出，只要認真研究一下歷史，就會發現他不是第一個想到利用激光干涉儀來探測引力波的人。早在20世紀70年代，「就有一個美國人在從事這方面的研究。我瞭解他的一些情況，他是韋伯的學生，名叫鮑勃·富沃德……當時，他正在思考這個問題。你瞧，這……不是我一個人的想法，其他人也有類似的想法。」
1997年，德雷弗在幾次訪談中都說過，「有一個名叫鮑勃·富沃德的傢伙，也在從事相關研究」。當時，富沃德在馬利布市的休斯飛機公司工作。在他的勸說之下，公司同意他建造引力波探測器。
雷納回憶說：「我與一個傢伙討論過這個想法，那個傢伙又把它透露給富沃德。富沃德聲稱這個靈感來源於我，是一個名叫菲爾·查普曼的傢伙告訴他的。我認為他的說法不準確，因為這個想法其實源自韋伯，韋伯也曾經考慮利用激光干涉儀來探測引力波。
「事實上，我們是後來才知道這個了不起的想法的。基普做過一些調查研究，發現早在我之前，莫斯科國立大學就有兩個蘇聯人（格森施泰因和普斯托瓦伊特），已經在蘇聯的《實驗與理論物理學雜誌》上公開發表了這個想法。我當時不知道這件事，也不知道他們的姓名。不過，這兩個人的名字現在經常出現在我們的論文裡。他們有一個不太成熟的想法——利用光來精確測量距離。這個想法與鮑勃·富沃德以及韋伯的想法不謀而合。就這樣，探測器實驗在不同的地方分別展開。我的貢獻是完成了噪聲分析，從而確定了這個想法是切實可行的。我覺得這也是一項比較重要的工作，我這樣說並不是故作謙虛。」
雷納還解釋了他當時的一些想法：「實驗尚未完成，僅有一個初步的想法，在這種情況下，你一般是不會將它公之於眾的。但是，我的內心有個聲音說，要把這個想法用某種形式展示出來，於是我把它寫進了季度進展報告……那是一份內容十分豐富的長篇報告。然後，我就再也沒有公開發表任何內容了。事實上，那份報告為整個實驗奠定了基礎。」
基普也主動談到了雷納所完成的噪聲分析的重要性。這裡的噪聲是指使機器發出聲音的所有因素，包括路上行駛的車輛、地震和激光的量子漲落等。基普評價那份季度報告是一個「壯舉」。格森施泰因和普斯托瓦伊特的論文是用俄語寫的，文章清楚地介紹了他們的基本思想，但沒有評估噪聲的影響，也沒有評估可行性。基普強調：「把這個想法變成現實的人是雷納。雷納明確了早期的引力波探測器必將面對的所有主要的噪聲源，並設計了若干應對措施。此外，他還利用一台具備這些應對措施的機器進行了噪聲分析。雷納對自己的這項工作的肯定並不足以說明它的重要性，現在回過頭看，這絕對是一個了不起的壯舉。」
雷納告訴我：「我之所以沒有公開發表論文，是因為這僅僅是一個想法。我現在仍然堅持這個觀點。我還不具備發表論文的條件，但是我希望有一天可以發表論文。這是我需要解決的麻煩，從哲學的角度看，這個問題非常重要。我不知道你怎麼看待這個問題，但是有一個想法與將這個想法付諸實施是兩件截然不同的事。有的人有了一個想法之後，就會在雜誌上公開發表。他們成為這個想法的擁有者，但是他們沒有花一點兒力氣把這個想法變成現實。對於這樣的人，我十分反感，因為他們沒有付出任何艱辛的勞動。有資格享有榮譽、公開發表論文的，應該是把想法變成現實的那個人。」
20世紀70年代，羅納德·德雷弗打了一個法律的「擦邊球」，通過放大微縮膠卷副本的方式，得到了雷納在麻省理工學院內部發表的那份季度進展報告。英國團隊有過一些瘋狂的想法，其中就包括激光，但是德雷弗不確定他們的想法從何而來——這是他們靈光乍現的產物，還是來源於德國人的創意或者是雷納的報告。格拉斯哥團隊的研究經費非常少，而激光的費用似乎高得離譜兒。僅激光器的成本就接近一萬英鎊，這個價格似乎太高了，足以讓他們改變研究方向，多耗費幾年時光。德雷弗看過雷納呈交美國國家科學基金會的報告，他也非常支持這個項目。德國的比林斯也迅速展開了探測器研究，他們之前放棄的某些想法就涉及激光，但是雷納的報告促使他們將想法付諸行動。
德雷弗在20世紀70年代結識富沃德，在此之前，他已經花了兩年時間思考探測器技術了，格拉斯哥團隊也已經開始進行實驗了。由於不確定利用激光干涉儀探測引力波的想法最初源自何人，德雷弗含糊其辭地指出激光干涉儀是人們普遍使用的一種機器。但他認為，讓激光在干涉臂中多次往復運動可以顯著地提高機器靈敏度的觀點，是雷納的一個重要發現。德雷弗為這項技術找到了另外一個版本——法布裡–珀羅干涉儀，因為它的成本要低得多。德雷弗不無嫉妒地承認，與他的團隊展開友好競爭的德國團隊，似乎在獲取資金、尋求支持等方面都佔有優勢。利用法布裡–珀羅干涉儀，他可以挽回一點兒頹勢。在民主德國耶拿市舉行的一次會議上，他介紹了這個想法。當時，民主德國還沒有擺脫「冷戰」鐵幕的禁錮。德雷弗回憶道：「我坐在公共汽車上，穿過鐵幕和層層防線，再加上親眼看見民主德國人民遠比聯邦德國貧窮、落後的生活，我的心情久久不能平靜。」
從這些早期活動開始，隨著幾十年來各個研究團隊不斷做出貢獻，引力波探測器的複雜程度日益提高。之前，我只見過非常簡單的探測器線條畫。用線條畫來表現真實的探測器，就如同通過劊子手的眼睛來瞭解人類的生物特徵。真實的探測器是一種物質表現形式，代表的是幾十年的研究、突破、調整和大量的基礎性工作。我永遠無法攀登到這樣的高度。在這些勇士穿著登山鞋、帶著冰錐和各種工具攀登科學高峰的時候，我只能與其他戴眼鏡的學者一起待在山腳下，一邊高談闊論、出謀劃策，一邊為他們的成就大聲歡呼。在這裡，我們可以感受到理論學者對實驗人員的羨慕之情，因為後者從事的是實實在在的研究活動。
我站在加州理工學院的「40米」實驗室中，看著眼前的探測器示意圖。這幅圖非常詳細，就像海報一樣，沿著其中一條干涉臂被張貼在實驗室的牆壁上。從這幅專業人員繪製的平面圖上，我可以清楚地看到探測器原型機的複雜結構。在我之前看過的草圖中，激光在機器內部運動的軌跡被（不準確地）表示成一個簡單的環路，而在這幅圖裡，我看到的是遠遠超出我的想像、相互交叉的線條。這幅示意圖太複雜了，我根本看不明白。我想給這幅圖拍張照片，便於以後仔細研究，但隨後我又放棄了這個想法。加入LIGO科學合作組織的人，都需要簽署一份諒解備忘錄，以法律的形式承諾自己的行為不會辜負該組織的期望。我沒有簽署諒解備忘錄，因此我不確定哪些行為是被允許的，哪些行為是不被允許的。
「我不是LIGO科學合作組織的正式成員，你們為什麼同意我看這些東西呢？」
傑米笑了，用手肘輕輕地捅了我一下：「難道你回家後也準備建造一台探測器？」
如果有人想自己建造一台探測器，那麼他需要完成以下工作。第一，尋找一個不會發生地震的地方。第二，建造兩個相互垂直成L形的管道，越長越好。當有引力波經過時，干涉臂就會發生極其微小的伸展、收縮變化。可探測的引力波強度取決於被稱為干涉臂的兩根管道的長度。通常，引力波可以使干涉臂的長度發生十萬億分之一的變化。如果干涉臂過短，其探測引力波的靈敏程度就會降低，可能無法發現長度上的微小變化。
第三，在L形管道的拐角處，放置一台大功率的高能激光器，將激光發射至分光器。顧名思義，分光器的作用就是將激光分成兩束，一束激光進入其中一條干涉臂，另一束激光進入另一條干涉臂。然後，抽空管道裡的空氣、致污物和所有顆粒狀物質。這一步非常重要，可以確保激光暢通無阻地從空無一物的管道中通過。讓管道實現真空是一個大難題。管道中不能有空氣，否則就會散射、吸收激光，從而影響激光的運動。激光在全尺寸探測器內運動整條臂的距離大約需要十萬分之一秒的時間。
第四，選用盡可能細的繩索，把光滑平整的反射鏡懸掛在干涉臂的末端。以這種方式懸掛的反射鏡，可以做自由度非常高的橫向運動。空間一旦發生振蕩，反射鏡就會「隨波逐流」，沿著管道的方向自由擺動。
第五，利用這些做工精緻的鏡面的反射作用，讓激光沿干涉臂原路返回，並且在起點處匯合，此時，從一條干涉臂返回的激光將與從另一條干涉臂返回的激光在分光器處發生干涉。如果兩束激光的傳播距離正好相等，那麼它們在干涉圖樣的亮斑處就會完全重合，在暗斑處則相互抵消。如果一條干涉臂的長度稍有縮短，而另一條干涉臂的長度略有增加，那麼兩束激光的傳播距離就不會相等。在它們重新匯合時，干涉圖樣可以記錄下兩束激光在傳播距離上的微小差值：大約是質子直徑的千分之一。換算成傳播時間，就是1027 分之一秒。做到這一步之後，你的探測器就可以投入使用了。
重複上述步驟，因為你至少需要兩台探測器。第二台探測器必須遠離第一台。第二台探測器的作用不僅在於確認第一台的探測結果是正確的，而不是空歡喜一場，它還要確定引力波的位置。在地球上使用兩台探測器，與每個人長著兩隻耳朵有異曲同工之妙。
也就是說，我們可以參考草圖，建造L形管道，把它們抽成真空狀態，發射激光，掛上幾面鏡子，讓激光匯合，觀測激光的干涉圖樣，就可以探測到引力波了。這真是太簡單了。
幾乎可以肯定的是，你會認為這個實驗非常簡單。剛開始的時候，雷納·韋斯的想法確實非常簡單：讓鏡子自由地懸浮在空中，使之可以隨著引力波晃動；然後，在這些鏡子的周圍建造一個探測器。不久前的一天，雷納氣急敗壞地從一個LIGO探測器的主實驗室走了出來，嘴裡還說著一些難聽的話。當時，他們正在安裝高新激光干涉儀。在場的一位同事不知道自己是否應該說些什麼，就隨口問了一句：「進展如何，雷納？」
「該死，這台機器太複雜了！」雷納頭也沒回地邊走邊大聲喊道，「真是太複雜了！」
[1] 1碼≒0.9米。——編者注