引力波探测 : 几十年上下求索

美国激光干涉引力波天文台LIGO团队发现引力波，堪称是21世纪头十几年物理学最重大的发现。它的出现，甚至比2012年欧洲核子中心CERN发现希格斯玻色子更加激动人心。在物理学各大领域都被量子理论占据的今天，它成了经典物理最后的荣耀与丰碑。

　　引力波探测：几十年上下求索

　　自从广义相对论预言引力波之后不就，人们便开始追寻引力波。到今天，已经度过了几十个春秋。发现引力波有什么意义呢？大致有以下三方面。

　　首先，引力波探测证实了爱因斯坦以及合作者的预言，再一次验证了广义相对论。

　　其次，就像电磁波和放射性现象一样，引力波是人类了解这个宇宙的新窗口。引力波的发现标志着人类进入了一个新的时代，开创了人类了解世界的新方式。（1887年赫兹发现电磁波时，谁能想象130年后，电磁波已经走进每个家庭。1896年贝克勒尔发现放射性的时候，谁能想到现在每一家医院都能留下核物理的足迹）

　　再次，引力波可以提供宇宙发展了演化的信息，有助于我们进一步了解宇宙（诸位还记得2014年BICEP卫星宣称发现了原初引力波吗？后来确定是来源于星际尘埃的干扰。原初引力波可以反映宇宙早期的性质）。

　　20世纪60年代，美国马里兰大学物理学家韦伯曾利用长2米质量为1顿的铝筒进行引力波探测，1968年甚至宣称发现了引力波，但同行们却无法重复他的结论。

　　后来人们利用迈克尔逊-莫雷干涉原理来探测引力波。迈克尔逊-莫雷干涉仪是利用两束激光进行干涉的装置，当两束光的路程不一致时，便会产生干涉现象。通过观察干涉条纹，便可进行精确测距。历史上，迈克尔逊和莫雷曾经利用这样的仪器发现了真空中的光速不变。

　　迈克尔逊-莫雷干涉仪

　　这次LIGO使用的堪称豪华版迈克尔逊-莫雷干涉仪，只不过干涉臂换成了4km长的“跑道”。引力波是时空的涟漪。当有引力波传来时，弯曲的时空会使得4km长的跑道发生“形变”（拉长或压缩）。利用激光束的干涉，可以精确地测量4km“跑道”上由引力波引起的长度变化。因为引力波所产生的“形变”效果太微弱了，在10的负20次方量级，探测它们实在是难上加难。

　　LIGO引力波探测

　　100多年前，迈克尔逊—莫雷干涉仪的出现验证了光速不变；100多年后，LIGO团队用豪华版迈克尔逊-莫雷干涉仪观测到了广义相对论中的引力波。迈克尔逊-莫雷干涉仪为爱因斯坦厥功甚伟，爱因斯坦看到了今天这一幕，必会在阴间大摆筵席，与迈克尔逊和莫雷一醉方休。可见，每一个成功的理论物理学家背后，都有一批成功的实验物理学家。

　　LIGO之后，还有欧洲的LISA（激光干涉空间天线），它是一个规划中的引力波探测项目，利用三颗卫星在天空中排成提个三角形，卫星上高精度的激光器彼此发射激光来进行干涉。90年代欧洲人捉摸着，六十年代韦伯用铝筒和铝棒没有能发现引力波，是因为精度不都；LIGO用4km长的“干涉臂”，还没有找到引力波，那必然是距离还不够大。所以，我们用相隔成千上万公里的卫星，作为干涉臂，这下距离总够了吧。

　　图为LISA引力波探测计划

　　中国引力波探测，是机会还是大坑？

　　自从二战以后，各发达国家竞相提出引力波探测计划，而这方面，中国长期以来都是空白，这是一个巨大的遗憾。

　　2013年暑假，我大学毕业时曾参加过重庆大学举办的理论物理讲习班，重大老师谈到了他们打算进行的引力波探测，我当时就感慨：我们国家终于要发展引力波探测技术了。两年多了，也不知道他们现在怎么样了。

　　最近网上又传出的中国引力波探测的天琴计划，它跟LISA计划类似，也是发射几颗卫星到太空中，利用激光干涉探测引力波。

　　很多网友不看好中国引力波探测，认为引力波已经被LIGO团队发现了，中国再去搞什么天琴计划，纯属多此一举，既得不了诺贝尔奖，又没有什么实际用途，只能为他人作嫁衣裳。

　　这里边牵扯两个问题。其一，LIGO发现引力波是否意味着引力波领域的主要工作已经做完，只剩下残羹冷炙，再无研究价值，更无获得诺贝尔而奖的希望？其二，引力波探测技术是否是空中楼阁，毫无应用价值？

　　引力波按频率可以分为高频、中频和低频三种，这次LIGO发现的是中频部分的引力波。三种引力波的来源、性质、探测手段并不完全相同。这些性质上的差别决定了高频、中频和低频引力波的应用方向定会有很大差别（如果将来有一天引力波技术能走向应用）。2014年，BICEP卫星宣称发现的是宇宙大爆炸早期的原初引力波，而这次LIGO发现的是两黑洞融合产生的引力波，两者又不相同。可见，引力波不是单一的。并不表明LIGO发现了引力波，这个领域就尘埃落定了，就再也没有其他人的事情了。君不见，电磁波产生了多少个诺贝尔奖，放射性产生了多少个诺贝尔奖，加速器和中微子产生了多少个诺贝尔奖，超导又产生了多少个诺贝尔奖。引力波是个巨大的宝库，催生出多少诺贝尔奖，还未可知。

　　退一步说，即便LIGO之后，真的没有可能得引力波的诺贝尔奖了，中国探测引力波是否毫无意义，我看也未必。在这里我们先不谈引力波本身的应用价值（因为引力波本身距离实际应用还会有很长一段距离），只说说空间引力波探测技术在其它领域的应用价值。像天琴计划这样的太空探测，需要对几颗卫星间的距离进行精确测量，也需要对激光束进行严格校准，还需要排除太空中各种背景的影响。它不仅会满足引力波这样的纯科学探索，对于空间测距以及激光技术也是巨大的促进。

　　从引力波探测看大科学装置实验

　　一般来说，在科学研究中，别人做过的点子，你再做就没什么意思了。但大科学装置存在例外情况，因为大学科装置需要经验，需要积累，需要传承。一方面是科学上的，一方面是配套的工程技术上的。没有小工程，没有前期的工程基础，很难在短时间内建起像样的大工程。因此，没有前期基础，仅凭某天的一个点子，一个机遇，就指望让一个大装置拔地而起，是不现实的。即便建起来，估计事故也不会少。因此，对于这类涉及大科学装置的实验，能独树一帜固然很好，但也不是所有仿照别人的项目都没有价值。

　　任何大科学装置从投资到建设，从维护到升级，从运行到分析，从采集第一个数据到发表最后的结果，都经过了几年甚至几十年的峥嵘岁月。人们往往只能看到它们的成功，却看不到它们背后的艰辛。

　　就比如LIGO团队，在他们从1991年启动，经过了升级和再升级之后，才有了今天的发现。里边复杂的探测技术，各种精密仪器，不是一朝一夕就能完成的。而且大多数时间里，LIGO都一无所获，扮演着失败者的角色。以至于像我这样的外缘人士，前几年已不对LIGO抱有什么希望了，一心期望着LISA早日出来救市。

　　从九十年代至今的二十余年里，LIGO团队的花费不下十亿美金。在LIGO团队未成功的那些年代里，想必也曾饱受争议，想必也曾受到这样的讽刺：他们花了纳税人这么多钱，什么也没探测到，真是一群废物！在2016年之前，对于引力波花落谁家，是美国的LIGO捷足先登，还是欧洲的LISA夺得桂冠，谁也无从知道。

　　科学的发现颇有些戏剧性，一人得道，鸡犬升天。如今，LIGO抢了头功，成为闻名天下的明星，尽可指点江山，激昂文字。而LISA出师未捷，便先闻噩耗，此刻LISA团队的研究者的心情可以用本山大叔小品中的台词来形容——我的心是哇凉哇凉的呀！

　　但决并非意味着LISA失去了存在的意义。如果说LIGO代表了中频引力波探测的尖端，LISA则代表了低频引力波探测的尖端，而且，LISA也有着一些LIGO没有的技术。它们一个地面，一个太空一个中频，一个低频，遥相呼应，熠熠生辉。未来，在浩淼的天空中，相信LISA终会有一席之地。假如LISA和其它引力波探测项目因此自暴自弃，不再前进，引力波领域就会被美国做大做强。我想，同样的道理也适合于中国。中国的太空引力波探测，本来就比LISA起步晚，再畏缩不前，拿什么去和未来的LISA争呢？

　　在我熟悉的高能物理领域，也有类似的例子。

　　二战以后，世界粒子物理中心在美国。而日本起步较晚，很长时间只能跟在美国大哥身后摸索。20世纪80年代，日本敏锐地抓住了中微子物理的机会（其实他们原本是想看质子衰变的，后来发现这玩意能探测中微子），花费巨资发展神岗实验室，并进行了几次升级，变成了超级神冈和超级超级神岗。如今，经过几十年卧薪尝胆，日本人以神岗的带领下，在好几项中微子探测技术上，已经彻底打垮了美国，夺取了中微子探测的制高点（并收获了两个诺贝尔奖）。从神岗到超级神冈再到超超级神岗，从向美国学习到超越美国，神岗人走过了一条光荣崎岖的路，他们的自强不息令人惊叹。如果那个时候，日本也有类似的想法，因为美国领先就不去发展，他们就会永远失去跟美国叫板并且赶超美国的机会。

　　图为日本神岗中微子探测器

　　注：本人不是研究引力波的，如有错误请多多包涵