引力波的那些事：中國的引力波探測還有意義嗎？

美國激光干涉引力波天文臺LIGO團隊發現引力波，堪稱是21世紀物理學最重大的發現。它的出現，甚至比2012年歐洲核子中心CERN發現希格斯玻色子更加激動人心。在物理學各大領域都被量子理論占據的今天，它成了經典物理最后的榮耀與豐碑。

引力波探測：幾十年上下求索

自從廣義相對論預言引力波之后不久，人們便開始追尋引力波。到今天，已經度過了幾十個春秋。發現引力波有什么意義呢？大致有以下三方面。

首先，引力波探測證實了愛因斯坦以及合作者的預言，再一次驗證了廣義相對論。

其次，就像電磁波和放射性現象一樣，引力波是人類了解這個宇宙的新窗口。引力波的發現標志著人類進入了一個新的時代，開創了人類了解世界的新方式。（1887年赫茲發現電磁波時，誰能想象130年后，電磁波已經走進每個家庭。1896年貝克勒爾發現放射線的時候，誰能想到現在每一家醫院都能留下核物理的足跡。）

再次，引力波可以提供宇宙發展演化的信息，有助于我們進一步了解宇宙（諸位還記得2014年BICEP衛星宣稱發現了原初引力波嗎？后來確定是來源于星際塵埃的干擾。原初引力波可以反映宇宙早期的性質）。

20世紀60年代，美國馬里蘭大學物理學家韋伯曾利用長2米、質量為1噸的鋁筒進行引力波探測，1968年甚至宣稱發現了引力波，但同行們卻無法重復他的結論。

后來人們利用邁克爾遜-莫雷干涉原理來探測引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀是利用兩束激光進行干涉的裝置，當兩束光的路程不一致時，便會產生干涉現象。通過觀察干涉條紋，便可進行精確測距。歷史上，邁克爾遜和莫雷曾經利用這樣的儀器發現了真空中的光速不變。

邁克爾遜-莫雷干涉儀

這次LIGO使用的堪稱豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀，只不過干涉臂換成了4km長的“跑道”。引力波是時空的漣漪。當有引力波傳來時，彎曲的時空會使得4km長的跑道發生“形變”（拉長或壓縮）。利用激光束的干涉，可以精確地測量4km“跑道”上由引力波引起的長度變化。因為引力波所產生的“形變”效果太微弱了，在10的負20次方量級，探測它們實在是難上加難。

LIGO引力波探測

100多年前，邁克爾遜—莫雷干涉儀的出現驗證了光速不變；100多年后，LIGO團隊用豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀觀測到了廣義相對論中的引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀為愛因斯坦厥功甚偉，愛因斯坦看到了今天這一幕，必會在陰間大擺筵席，與邁克爾遜和莫雷一醉方休。可見，每一個成功的理論物理學家背后，都有一批成功的實驗物理學家。LIGO之后，還有歐洲的LISA（激光干涉空間天線），它是一個規劃中的引力波探測項目，利用三顆衛星在天空中排成個三角形，衛星上高精度的激光器彼此發射激光來進行干涉。90年代歐洲人捉摸著，六十年代韋伯用鋁筒和鋁棒沒有能發現引力波，是因為精度不夠；LIGO用4km長的“干涉臂”，還沒有找到引力波，那必然是距離還不夠大。所以，我們用相隔成千上萬公里的衛星，作為干涉臂，這下距離總夠了吧。

圖為LISA引力波探測計劃

中國引力波探測，是機會還是大坑？

自從二戰以后，各發達國家競相提出引力波探測計劃，而這方面，中國長期以來都是空白，這是一個巨大的遺憾。

很多人不看好中國引力波探測，認為引力波已經被LIGO團隊發現了，中國再去搞什么天琴計劃，純屬多此一舉，既得不了諾貝爾獎，又沒有什么實際用途，只能為他人作嫁衣裳。

這里邊牽扯兩個問題。其一，LIGO發現引力波是否意味著引力波領域的主要工作已經做完，只剩下殘羹冷炙，再無研究價值，更無獲得諾貝爾而獎的希望？其二，引力波探測技術是否是空中樓閣，毫無應用價值？

引力波按頻率可以分為高頻、中頻和低頻三種，這次LIGO發現的是中頻部分的引力波。三種引力波的來源、性質、探測手段并不完全相同。這些性質上的差別決定了高頻、中頻和低頻引力波的應用方向定會有很大差別（如果將來有一天引力波技術能走向應用）。2014年，BICEP衛星宣稱發現的是宇宙大爆炸早期的原初引力波，而這次LIGO發現的是兩黑洞融合產生的引力波，兩者又不相同。可見，引力波不是單一的。并不表明LIGO發現了引力波，這個領域就塵埃落定了，就再也沒有其他人的事情了。君不見，電磁波產生了多少個諾貝爾獎，放射性產生了多少個諾貝爾獎，加速器和中微子產生了多少個諾貝爾獎，超導又產生了多少個諾貝爾獎。引力波是個巨大的寶庫，催生出多少諾貝爾獎，還未可知。

退一步說，即便LIGO之后，真的沒有可能得引力波的諾貝爾獎了，中國探測引力波是否毫無意義，我看也未必。在這里我們先不談引力波本身的應用價值（因為引力波本身距離實際應用還會有很長一段距離），只說說空間引力波探測技術在其它領域的應用價值。像天琴計劃這樣的太空探測，需要對幾顆衛星間的距離進行精確測量，也需要對激光束進行嚴格校準，還需要排除太空中各種背景的影響。它不僅會滿足引力波這樣的純科學探索，對于空間測距以及激光技術也是巨大的促進。

從引力波探測看大科學裝置實驗

一般來說，在科學研究中，別人做過的點子，你再做就沒什么意思了。但大科學裝置存在例外情況，因為大學科裝置需要經驗，需要積累，需要傳承。一方面是科學上的，一方面是配套的工程技術上的。沒有小工程，沒有前期的工程基礎，很難在短時間內建起像樣的大工程。因此，沒有前期基礎，僅憑某天的一個點子，一個機遇，就指望讓一個大裝置拔地而起，是不現實的。即便建起來，估計事故也不會少。因此，對于這類涉及大科學裝置的實驗，能獨樹一幟固然很好，但也不是所有仿照別人的項目都沒有價值。
任何大科學裝置從投資到建設，從維護到升級，從運行到分析，從采集第一個數據到發表最后的結果，都經過了幾年甚至幾十年的崢嶸歲月。人們往往只能看到它們的成功，卻看不到它們背后的艱辛。

就比如LIGO團隊，在他們從1991年啟動，經過了升級和再升級之后，才有了今天的發現。里邊復雜的探測技術，各種精密儀器，不是一朝一夕就能完成的。而且大多數時間里，LIGO都一無所獲，扮演著失敗者的角色。以至于像我這樣的外緣人士，前幾年已不對LIGO抱有什么希望了，一心期望著LISA早日出來救市。

從九十年代至今的二十余年里，LIGO團隊的花費不下十億美金。在LIGO團隊未成功的那些年代里，想必也曾飽受爭議，想必也曾受到這樣的諷刺：他們花了納稅人這么多錢，什么也沒探測到，真是一群廢物！

在2016年之前，對于引力波花落誰家，是美國的LIGO捷足先登，還是歐洲的LISA奪得桂冠，誰也無從知道。

科學的發現頗有些戲劇性，一人得道，雞犬升天。如今，LIGO搶了頭功，成為聞名天下的明星，盡可指點江山，激昂文字。而LISA出師未捷，便先聞噩耗，此刻LISA團隊的研究者的心情可以用本山大叔小品中的臺詞來形容——我的心是哇涼哇涼的呀！

但決并非意味著LISA失去了存在的意義。如果說LIGO代表了中頻引力波探測的尖端，LISA則代表了低頻引力波探測的尖端，而且，LISA也有著一些LIGO沒有的技術。它們一個地面，一個太空一個中頻，一個低頻，遙相呼應，熠熠生輝。未來，在浩淼的天空中，相信LISA終會有一席之地。

假如LISA和其它引力波探測項目因此自暴自棄，不再前進，引力波領域就會被美國做大做強。我想，同樣的道理也適合于中國。中國的太空引力波探測，本來就比LISA起步晚，再畏縮不前，拿什么去和未來的LISA爭呢？

出品：科普中國

制作：小曲

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

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發表于 2016-12-08 00:00
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