EP 2132021-08-232:22:55
Barish 談重力波與 LIGO 的極限精度
Barry Barish
諾貝爾物理獎得主 Barry Barish 回顧 LIGO 耗費二十年的工程摸索,如何量出比質子還小千倍的形變,首度偵測到重力波。
Barry Barish: Gravitational Waves and the Most Precise Device Ever Built | Lex Fridman Podcast #213在 YouTube 看 ↗
重點6 條
- 好奇心是他做研究的起點:從小時候問倒父親「冰為什麼會浮在水上」開始,Barish 把終身做研究歸因於始終沒被磨掉的好奇心;他也提到一本叫《The Ratchet of Curiosity》的書——知識一旦打開就回不去,原子彈與 AI、生物工程都是同一種風險。
- 重力波是廣義相對論的副產品,連 Einstein 自己都算錯過:Newton 解釋不了重力「為什麼」存在,Einstein 在 1915 年提出廣義相對論,隔年靠著跟電磁學公式的相似性直覺推出重力波存在;但他自己一度把重力強度的公式寫錯,後來跟 Rosen 合寫的論文還被退稿,他氣到從此不再投那本期刊。
- LIGO 要量的形變小到不可思議:形變比是十的負二十一次方,四公里長的臂測到的實際位移只有十的負十八次方公尺,只有質子的千分之一,逼得團隊做出四層避震器加主動抵消噪音(原理跟降噪耳機一樣),把地球本身的晃動壓低到只剩一兆分之一。
- 從 1994 年蓋到 2015 年才等到第一次偵測:儀器蓋好之後跑了將近十年沒看到訊號,加裝主動避震系統才終於等到訊號;兩座相隔數千公里的偵測器同時量到同一個訊號,團隊還是花了一個月才敢確認這不是儀器出錯或被駭。
- 黑洞可能是統一物理學的鑰匙:量子力學跟廣義相對論各自好用卻互不相容,Barish 認為黑洞內部或許是唯一能同時檢驗兩套理論的地方;重力波也不像光會被早期宇宙的高密度物質擋住,理論上能讓人類看得比望遠鏡更早、更遠。
- 訪談後半聊到文學與人生:他認為 Dostoevsky 開啟了存在主義文學、也是第一個用多重敘事觀點寫作的人,自稱對《The Idiot》裡的 Mishkin 有共鳴;也聊到疫情期間重讀 Camus 的《The Plague》,以及十五歲被《Moby Dick》勸退的小說家夢。他最後說,人生的意義是為自己以外的人事物帶來正向影響。
時間軸26 段
童年問父親「冰為什麼會浮在水上」,問倒了他,從此成為他一路做研究的動力。
兩者都是這二三十年才浮現的謎題,人類目前對宇宙大部分的質能仍然一無所知,最合理的解釋(超對稱)也還沒有成功。
Fermi 同時是理論與實驗物理學家,靠中子撞擊原子核的實驗意外打開了核分裂的大門,也是 Barish 年少時的偶像。
談到原子彈的遺產,他提到「好奇心的棘輪」——知識一旦打開就回不去,AI 與生物工程有相似的風險。
統計上宇宙裡該有很多文明,卻遲遲等不到訊號;所有已知的通訊方式都受限於光速,這可能就是最大的限制。
Newton 從沒解釋重力「為什麼」存在,廣義相對論接手,Einstein 隔年靠直覺類比電磁波,推出重力波應該存在。
Einstein 移民美國後跟 Rosen 合寫論文《Do Gravitational Waves Exist》投稿,被送去外審,他一怒之下撤稿,從此沒再投過那本期刊。
一根綁著鐵環的鐵棒思想實驗,讓學界相信重力波真的能傳遞能量,不只是紙上數學。
用遊樂園哈哈鏡與蹦床上的彈珠來比喻:重力波經過時,空間本身會被拉長又壓扁。
衛星定位如果不做廣義相對論的修正,車子開在十公尺寬的路上,一分鐘內就會偏出路面。
要測的形變比是十的負二十一次方,四公里長的臂換算下來,實際位移只有十的負十八次方公尺,是質子的千分之一。
靠四層避震器加主動抵消噪音(跟降噪耳機同一個原理),把地表震動壓低到只剩一兆分之一。
管線是拿不鏽鋼捲成螺旋焊出來的,最大的擔心是一旦漏氣,管子大到沒辦法像實驗室那樣用氦氣找漏點。
目標是讓整體大於部分的總和,關鍵在把最好的人才湊在一起,同時要搞定不少大牌科學家的自尊心。
1994 年拿到國家科學基金會的錢開始蓋,蓋好之後跑了將近十年都沒看到訊號,加裝主動避震系統之後才等到第一次偵測。
兩座相隔數千公里的偵測器同時量到一樣的訊號,團隊還是花了一個月確認不是儀器出錯,也不是被駭。
對他個人不是夢想,但讓科學登上新聞頭條、也讓不懂科學的決策者願意聽科學家說話;他也提到停機前每週都能偵測到一次重力波事件,升級後預計每兩三天就有一次。
靈敏度提高十倍就能看到一千倍的空間體積,讓重力波觀測從天文學走向研究宇宙演化的宇宙學。
物理學至今答不出來為什麼宇宙留下的是物質而不是反物質,連「我們為什麼存在」都還沒有答案。
主流說法是恆星死亡塌縮,但觀測到重達太陽一百四十倍的黑洞,大到不像是恆星塌縮能做出來的。
量子力學與廣義相對論各自好用卻互不相容,黑洞內部可能是唯一能同時檢驗兩者的地方。
拿南極的科學站類比,移民火星與其說是殖民,更像是幫人類文明做一份異地備份。
Dostoevsky 開了存在主義文學的頭,Solzhenitsyn 寫下集中營裡人如何在苦難中還能找到小小的快樂。
十五歲讀《Moby Dick》完全看不懂那是隱喻,從此放棄當小說家,轉念物理。
人生的意義是為自己以外的人事物帶來正向影響,而 LIGO 就是他希望被記住的東西。
被問到希望被怎麼記載,他希望自己推動了科學、也是好的人生示範;他認為 LIGO 是集體人類智慧最好的證明,就算文明沒能延續,這台儀器也值得被記得。