探測引力波的若干往事

2月11日更新，引力波探測的論文已經發表： PRL 116, 061102 (2016)

原文首發蝌蚪網，之後我又稍加增添，轉發在此。

一流的學術研究成果，也許暫時沒有太多實際用途，但是一旦與娛樂結合，肯定能豐富人們的精神生活。比如說，把量子力學、廣義相對論和宇宙學與相聲和小品結合起來， 應該能提升春晚的內涵。

最近物理學界最熱門的八卦新聞就是引力波被發現了。之所以說是「八卦新聞」，是因為還未得到官方LIGO實驗組的證實。但這個「謠言」已經讓《科學》和《自然》雜誌網站都坐不住了，紛紛做了報道。尤其是《科學》的報道已經很明確的說LIGO已經發現了引力波，且所發現的引力波來自兩個黑洞融合的過程，其中一個黑洞為29個太陽質量，另外一個為36個太陽質量，融合之後的黑洞質量為62個太陽的質量。這個實驗將會在2月11日的《自然》雜誌上發表。

引力波的發現，從天文或者宇宙學角度看，類似於發現微波背景輻射； 從物理學角度，類似於當年從實驗上證實電磁波的存在。據說當年剛發現電磁感應時，面對質疑，法拉第說，一個剛出生的嬰兒，你不知道未來他會有如何廣大的前程。電磁波就是當年的嬰兒，現在的巨人。未來引力波是否跟電磁波一樣有重大的應用價值，很難預測，但可以想像。更何況 引力波現在處於即將臨盆的狀態，還不是嬰兒呢！

我們中國的物理學界也對此激動不已。大過年的，「蝌蚪五線譜」網站的編輯張軒中連續發了兩篇科普新聞，先用高中物理計算了兩個等質量黑洞融合時所發射引力波的頻率，然後又發現這個頻率與單個黑洞的霍金輻射的頻率只差一個常數，在同一量級。他甚至猜想這個引力波輻射與霍金輻射有類似的根源。背後的物理在哪裡呢？在我看來，背後的物理很簡單：霍金輻射的平均波長與黑洞的尺度同一量級，而黑洞融合時，兩黑洞相互旋轉的軌道間距也是這個尺度。所產生的引力波雖然以光速傳播，但太靠近黑洞了，應該會被吸收。何時才無法被吸收呢？與霍金輻射類似，當引力波的波長與兩個黑洞旋轉軌道半徑相等或者更長時，就會輻射出去，沒法被黑洞吸收了。可見，引力波波長與霍金輻射的光波波長是同一量級，它們的頻率也是差不多的。

筆者並非黑洞物理學或者引力波的專家，但是由於研究光力學，對引力波的實驗探測也一直都很關注。據我所知，對引力波的實驗探測立項有三十多年了。在1981年，加州理工的C. M. Cave寫過一篇理論文章，深入的分析了如果要用邁克爾遜干涉儀來探測引力波，所要客服的各種雜訊，他還討論了量子雜訊對測量的影響。這篇論文成為了後來LIGO項目的立項重要基礎之一，當時Caves剛剛博士畢業兩年（導師是Kip S. Thorne），已經完成了如此重要而系統研究，真是英雄出少年。在學術上要迅速成長，一定要儘早參與或者承擔最前沿而重要的科研項目。

Caves的理論認為，要提升干涉儀的靈敏度，最好能把干涉儀的鏡子質心振動態做到量子壓縮態，這樣可以突破其對位置的測量精度的量子極限。而要實現這一點，需要我們在實驗上製備出量子壓縮光。面對理論上的需求，實驗家們很快行動起來。當時，吳令安、彭堃墀和肖敏等人正好在德州大學奧斯丁分校的Jeff Kimble組念博士（訪問學者），他們一起，最早實現了壓縮光源，這個技術最近已經應用到了引力波探測中。後來吳令安回到了中科院物理所做研究員，一直從事量子光學的研究，較早的演示了量子保密通訊以及鬼成像等。彭堃墀回到了山西大學，創立了山西大學光電研究所，進一步的優化壓縮光源，他們做的壓縮光一直處於世界前列。彭堃墀後來被評為中科院院士。肖敏後來在美國阿肯色州立大學做教授，2009年，受國家「千人計劃」的資助在南京大學創立了一個研究組，研究量子光學相關的課題。引力波探測這個項目，間接的促進了3位中國物理學實驗專家的迅速成長。不僅如此，以這個項目作為背景，人們對光與宏觀機械振子之間的相互作用產生了濃厚的興趣，所發展的相關技術，為實現宏觀系統的量子疊加態提供了重要的技術支撐。

1984年，在加州理工的Kip S. Thorne教授等人推動下，探測引力波的LIGO開始啟動，這是美國的自然科學基金會資助力度最大的一個項目。項目一直持續了30多年，現在終於結出了碩果。Thorne是費曼的師弟，惠勒的學生，他31歲就當選美國科學院院士。如此年輕就獲得了他人需要奮鬥半輩子的榮譽，使得他能夠在四十齣頭就有足夠的影響力來推動LIGO項目。他也是與科普以及科幻聯繫很緊密的物理學家。在1985年，他就幫助卡爾. 薩根在其科幻小說《超時空接觸》中提出用蟲洞來實現星際旅行。這本小說後來在1997年拍成同名的電影，影響很大。Thorne本人，則撰寫了數篇學術論文，論證了蟲洞如何才能穩定的存在。後來他對蟲洞一直念念不忘。在2009年退休後，他深入的參與電影《星際穿越》，把蟲洞這個理論上的模型在電影熒幕上精準的表現了出來。

在我看來，Thorne之所以一直與美國科普以及科幻界保持密切的聯繫，某種程度上也是為了公共宣傳，樹立正面的形象，從而給LIGO項目籌集所需的資金。確實，要說服公眾花錢去觀察若干光年之外、與我們的現實生活毫無關係的黑洞融合所發射出的引力波是很難的。Thorne 通過多年來與科幻電影的深度合作，把相關的科學概念無縫植入了電影等媒介中，潤物細無聲的影響了公眾，為LIGO項目持續的獲得充足的資金資助做出了重要的貢獻。如果我們中國要做一個類似的研究項目，一流的科學家們要主動的走出來，與媒體以及娛樂圈合作，將科學與電影電視等娛樂產品融合起來。一流的學術研究成果，也許暫時沒有太多實際用途，但是一旦與娛樂結合，肯定能豐富人們的精神生活。比如說，把量子力學、廣義相對論和宇宙學與相聲和小品結合起來， 應該能提升春晚的內涵。

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