亲身参与“引力波”项目之体验

嘀嗒嘀嗒 2016-02-12

估计今天大家都被朋友圈的各种 “引力波” 文章刷屏了。读过了《引力波果壳版》《引力波完整版》《引力波科普版》《引力波白话版》《引力波搞笑版》《引力波社区版》《引力波爱版》《引力波神学版》。本号今天为大家推送新鲜出炉的《引力波探测 “亲身体验” 版》


正文来自我 Airbnb 的一位集才华、才华、和才华于一身的同事兼好友。作者是2005年斯坦福电子工程博士化文生。参与了如今红遍全世界的 “引力波” 的探测项目 LIGO之后曾在 Google 等硅谷大小公司工作。


发这样的稿子,够姐得瑟好一阵子了:




十年之后

前两天突然收到老师的email, 叫我11号早上7:30一定要去斯坦福听 LIGO 的新闻发布会直播。他说不能告诉我内容,但叮嘱我一定要去。我猜一定是 LIGO 出结果了。离开 LIGO 已经10多年了。今天听完发布会,还是像孩子一样兴奋。再次想起了那些年追逐引力波的往事, 和那远去的青春。有个网络红写手朋友建议我写点什么。我也就有了写点什么的想法--以后可以拿给娃看: 你爹当年年轻时也参加过特牛的一个项目。


初入 LIGO 

99年。我理论物理终于学不下去了。好容易用两年时间把量子力学,相对论,黑洞,搞了个似懂非懂。可一个学长告诉我,如果学理论物理是爬珠穆朗玛,我当时差不多算到了尼泊尔。连大本营都差得远呢。即使爬上去了,像上次来做报告的哪哥们,解决了量子场论的一个大问题,也拿不到好的教授职位。于是感到背后直冒凉气,开始为后半生饭票发愁。决定改行做工程师。把这意思和当时的导师说了。他很善意的一笑--肯定早就看出我不是这块料。他说,斯坦福电子工程系在招学生做 LIGO 的减震系统,要不你去哪吧。我想不错,一方面可以学个养家糊口的手艺,一方面也算继续物理上的梦想。于是99年夏天就屁颠屁颠的来了阳光明媚的加州。


减震

现在大家都知道引力波非常微弱。如果探测引力波,就必须把大地震动的影响去掉。所以减震非常重要。--算是科普,你也可以说我是老王卖瓜。


黑洞

等我到实验室一看才发现,这里就像一个大黑洞。半地下的钢筋混凝土建筑。墙有一米厚。里面有半个篮球场大,十来米深,但没有一个窗户。打开灯之前就是一个巨大的黑洞。后来我才知道,这里是斯坦福线性加速器(就是出了三个诺贝尔奖的地方)的前身。而且,这个黑洞旁边还有更大的一个黑洞:同样的钢筋混凝土但有一个篮球场大,20米深。里面有几个研究生在捣鼓各种各样的黑科技。因为以前这里是加速器的实验室,这两个黑洞里还残留了微弱的放射性。于是在这之后的六年,我就在带有放射性的“黑洞”里设计仪器,用来探测宇宙中遥远的黑洞放射出的引力波。宿命。


帅哥

比我先来实验室一年的是一位超级帅哥。叫考文。周围女同学对他的评价是比贝克汉姆帅,比汤姆克鲁斯高。不光帅,还是专业运动健将。这哥们靠自己发明的新式帆板拿到了全美帆板冠军。那年才15岁。单板滑雪达到过全美前十。靠当雪板教练自己挣了本科学费。还有舞蹈系的本科双学位。完全可以靠脸吃饭,但他是我认识的最好的机械工程师。我来之前就带领学校太阳能车队赢得过拉力赛冠军。他设计出来的东西是性能和美观的完美结合。堪称艺术。帅哥引来各路美女找各种借口到黑洞参观。也让我这屌丝男有了认识各美女的机会。窃喜。考文喜欢组织各种爬梯。有时人数太多也在这黑洞办过几次。后来这哥们毕业时拒绝了苹果设计部(对, 就是苹果里比CEO还牛的哪个部门)的邀请。 买了个旧公共汽车。 自己修好,改装成房车,住在里面。就在里面开始捣鼓自己的第一个starup。牛人。


初战告捷

我进实验室后就和考文一起设计减震系统。他负责机械。我负责电子控制。当时LIGO要去减震频率要低到0.1赫兹。导师告诉我们可以分两步走。先做个1赫兹的原型机,再做0.1赫兹的真家伙。当时别的实验室做过1赫兹的。但0.1赫兹的还没人做过。我还觉得重复1赫兹的是浪费时间,想直接做0.1赫兹的。但老师没同意。我和考文不到一年就把1赫兹的系统做好了。当时我俩都自信满满:再过一年,最多两年,肯定可以交活毕业了。于是开始筹划未来。开始讨论毕业后如何一起搞个startup,加入斯坦福浩浩荡荡的创业大军。


一千米

老师建议我们把0.1赫兹的第二步再分成两部分。先做原理机。再搞实体机。当时心中不服。但后来认识到老师才是真的大牛。原理机一搞就是三年。考文和我把问题想太简单了。0.1赫兹的减震系统比1赫兹的减震系统难了远不止10倍!(下面我忍不住要吐槽一些技术细节。这些技术细节当年让我恨的咬牙切齿, 不吐不快。文科生可以跳过。没有歧视的意思)减震系统的原理很简单。就像Weiss博士在新闻发布会上演示的一样,靠单摆的原理。当地面震动的频率超过单摆的固有频率的话,单摆下面的小球就不怎么震动了。所以要降低减震频率就需要降低单摆的固有频率。说起来简单。问题是单摆的长度和固有频率平方成反比。注意是平方!也就是说要把减震频率降低10倍的话,需要把单摆长度增加100百倍。估算了一下,大概需要做一个一千米左右高的减震台。发克。考文有能力把单摆折叠起来,来减小高度。但他最后的结论也是,发克。


问候爱因斯坦

需要用自动控制的办法把高度降下来。我们很快发现用于自控系统的惯性传感器(这是装逼的叫法。俗话叫地震仪)在低频总有一个干扰。这个干扰使系统不稳定。也就是说即使大地不振,系统也会自己震动起来。像抽羊角风一样。哪还谈什么减震!考文和我认定是自己自控学艺不精,于是加紧修炼。上完了斯坦福所有的控制课,拜访所有知道的名师。这个干扰就是去不掉。系统还是在抽羊角风。两年就这么过去了。绝望。有一天我就想,这事儿是不是压根儿就不可能。几天后,我证明了只要等效原理是对的,这个干扰是不可能消除的,和控制方法无关。这个等效原理就是哪个爱因斯坦创立广义相对论所基于的等效原理。也就是说,只要爱因斯坦是对的,哪这个干扰就去不掉,检测低频引力波就基本是扯淡。如果爱因斯坦是错的,哪LIGO整个就是扯淡。于是开始问候爱因斯坦,及其先人。


超级碗

其实老爱同志并没有把门关死。如果我们能解决一个几何问题的话,再加上一些特牛叉的控制方法,这个问题是可以解决的。这个几何问体是做一个碗,或者说,等效的做一个碗。这个碗大概1微米直径。但碗沿只有1纳米高。管它叫碗。它实际更像盘子。这个1纳米是关键。比这小了就不稳定。比这大了就达不到减震效果。问题是当时还没有办法做,或等效产生这么一个碗。1纳米只有几个原子高。所以我管这碗叫超级碗。虽然不好做,但总算有了明确的努力方向。想起来老爱用几何方法建立了相对论。若干年后,还需要用几何方法来建造测量相对论的仪器。冥冥中一切似乎早有注定。


螺丝钉

经过一次次摸爬滚打,解决了一系列计算机,系统识别,系统控制问题后,终于知道怎么做超级碗了。终于等到了实体机总装的那一天。三千螺丝钉。因为要抽真空的原因,不能用电钻装。只能用手。考文不在,我带两个技师装。几天以后终于快装完了,但发现多了两个螺丝钉。一查图纸,这俩螺丝钉应该最先装,晚了就装不上了。大哭。只有拆了重来。3000 螺钉,拆装6000次。有一个技师叫麦克。他说没关系,因为这叫re--search(研究). 他故意拉长了re的词根, 因为那个词根当“从来”讲。今后几天两位技师一致逼我买午饭。我服。


一千人

参与LIGO的人有一千人。之中很多人都有和我类似的苦逼撞墙,又峰回路转的经历。很多方面都现在科学技术的极限。都不易。我后来毕业后,去了Google当码工,养家糊口,忘记梦想。然后,十年中在硅谷大小公司辗转,码工至今。直到听到LIGO测到引力波的消息。蓦然回首,青春不再。最感慨的是LIGO前后40年,一千多人参与,不但印证了老爱的理论,还带动了激光,材料,光学,工程,计算机等诸多学科前沿的发展。很多LIGO的技术会对, 或者已经对,半导体制造,能源,材料,大数据等实用领域产生深远影响。但LIGO只花了6亿2千万美元。相比那些做个app就动辄10亿美元的独角兽初创公司,让人唏嘘不已,慨叹不公。


又想,那些坚持在LIGO的人们,他们虽然可能争得钱没有码工多,但他们没有出卖梦想,更值。


借此致敬。



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