文：哈利．柯林斯

重力波探測簡史

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

他的見重宣稱並非毫無爭議。從1960年代末期以來大約有半打讓人疑信參半的伯傻宣稱，說自己已經看到了重力波，瓜騙韋伯就是還英其中之一。但物理學界大多數成員已將其歸之為「錯誤」。重力在外人眼中，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。

除了特立獨行的韋伯支持群之外，幾乎每個人都開始相信，實際上，除了雜訊，韋伯真的什麼也沒看到，而他有意無意地以此謬誤的方式操弄他的數據，使其顯示為有信號產生。除非十分小心，不然這種事很容易發生。韋伯在自己犯了一些可怕的錯誤時並沒有加以挽救。早期他聲稱自己偵測到的信號強度週期為24小時，但若適當地考慮到重力波對地球的穿透性，推斷出的正確時間應該是12小時才對。不知怎的，就在這點被指出後不久，在韋伯的討論和論文中，週期就神祕地變成了12小時，而這導致一些人開始關注其數據分析的誠信問題。他還發現了一個理想結果，但事實上這結果應該要被排除在外，因為它是由電腦錯誤所造成的。而最該受到譴責的是，韋伯聲稱在他的重力棒和另一組的重力棒之間，有零延遲時間巧合信號的過量，結果只是一個關於時間標準的錯誤，也就是兩個拿來比較的信號流實際上存在約4個小時的差距，所以不應該看到時間巧合。

對韋伯的實驗天賦深具信心的人認為，這是任何人都有可能犯的錯誤，但那些不怎麼寬容的人則是用這些事件摧毀他的可信度。韋伯危機處理的方式又對他的處境造成進一步的傷害。他並沒有迅速、得體地接受責備，而是傾向把它擱在一邊，這種處理方式傷害了他的可信度。韋伯的聲譽跌至谷底，重力波社群試圖說服他應該承認自己自始至終都錯了，好讓他們能表揚他的冒險精神和許多發明與創新。但他從未降服。

韋伯於2000年過世，他堅持自己的結果是正確的直到最後一刻，甚至還在1996年發表了再次確證的論文──只是沒什麼人讀它罷了。韋伯是一個多姿多彩而且個性堅定的人物，沒有他，幾乎可以肯定地說不會有之後耗費數十億美元的新式重力波探測科學。

我聽過有人把韋伯描述為英雄、傻瓜，還有騙子。現在，我覺得他的聲勢又起來了，既然他本人不再到處與每一個不相信其初期發現的人爭辯，那麼表揚他打先鋒的開拓之功也就變得比較容易了。我相信他是一個真正的科學英雄，他的英雄主義部分表現在他拒絕承認自己錯了；相信自己所做的，為了短時間內專業上的認可而投降，並不是一個「正宗」（authentic）的科學行為。那些偵測到重力波的發表幾乎肯定會被留在物理學的垃圾桶裡，但這則是另一件事了。

書籍介紹

《重力的幽靈：關於實驗室、觀測，以及統計數據在21世紀的科學探險》，左岸文化出版
．透過以上連結購書，《關鍵評論網》由此所得將全數捐贈兒福聯盟。

作者：哈利．柯林斯
譯者：劉怡維、秦先玉

全書圍繞著2007年著名的「秋分事件」展開，柯林斯以故事性的方式描寫重力波偵測團隊的研究過程、科學家在實驗過程中的掙扎和內心戲，與各小組之間的牽制。同時以淺白方式穿插介紹重力波、重力波偵測、科學研究中的「盲植」概念，以及面對一個完全未知的領域，科學家如何以有限的經驗做出最佳的判斷。

不同於其他天文學觀測，重力波的偵測沒有圖像，只有數字。如何從一堆各種雜訊和意外事件的數字中，提取出重力波信號，需要非常多的統計與詮釋，不同的重力波偵測社群不僅對統計工具有所爭議，他們對於統計結果的主觀假設，也有可能影響研究的結果。這種科學並非是像相對論、量子力學的「精確科學」，而是更偏向氣象學、暖化趨勢這種「不精確的科學」；雖不精確，卻更與一般人日常生活密切相關、更適合進行社會學式的分析，並更有機會從中「發現」科學本質的價值。

Photo Credit：左岸文化

責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航