【廣發機械/電子】引力波：人們都關心科學，我們講講技術
科技前沿系列報告之二
引力波：人們都關心科學，我們講講技術
引言：美國科學家宣布人類首次探測到引力波，朋友圈瞬間進入全民愛科學的狀態，很多朋友感慨重大科學發現什麼時候能多些中國的身影，而我們這個報告回答的是，不僅是錢那麼簡單，科學發現與技術提升是緊密交融、相互促進的。進一步，我們要強調，無論是量子信息、無人駕駛，還是今天的引力波，都離不開激光技術的進步，建議長期密切關注激光相關企業和我們的系列報告，說不定哪天又有新的熱點話題，花落此處。
核心觀點：
引力波—物理學界的百年猜想首次得以證實
2月11日美國國家科學基金會宣布人類首次直接探測到引力波，這一發現被稱為愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」。廣義相對論描述具有質量的物體如何在時空環境下彎曲，據此預言加速運動的質量會產生引力波。在慶祝基礎科學獲得重大突破的同時，我們既為物理學家天才般的理論設想折服，同樣也藉此機會走進引力波背後的技術故事，探尋其成功奧秘和深遠影響。很多人略有遺憾的感慨，中國未來是否有機會為類似的重大科學突破貢獻更多的智慧。仔細審視後我們能夠發現，科學與技術的發展往往是緊密交融與相互促進的。
一將功成萬骨枯？與LIGO相互競爭的技術和項目
早在20世紀60年代，美國科學家根據諧振原理，研製出了鋁製棒狀引力波探測器。在1960年代隨著第一台紅寶石激光器的出現，光學技術開始飛速發展而激光干涉技術也被應用於引力波的探測，並成為目前主流探測技術。1999年美國建成了2台臂長為4km和2km的探測器。2005年進行升級改造，探測範圍擴大1000倍，被稱為Advanced LIGO。在美國的LIGO計劃開始之後，歐洲也開始進行引力波探測計劃。目前，主要有英國和德國合作的GEO 600探測器，法國和義大利合作的VIRGO探測器等。中國目前在引力波探測方向的項目是「天琴計劃」。
引力波「餘波未了」，科學突破的技術溢出值得期待
正如阿波羅登月計劃的成功實施，帶動了美國科學與技術的全面創新和飛速發展。通過月球探測發展起來的技術，已融入人們的日常生活和整個工業體系。激光干涉技術在LIGO中的使用，讓我們看到了其在超高精度定位和超長距離無損衍射領域的驚人應用。LIGO在設計中涉及的各類關鍵技術，有望在未來被不斷消化、優化和二次開發，進而推動民用領域的應用。
投資建議
我們特彆強調激光技術在此次引力波探測中起到的關鍵作用，正如其活躍在量子通信、量子計算機、無人駕駛汽車（激光雷達）、先進位造（3D）等熱點領域；建議密切關注激光相關企業，未來在尖端科技突破和逐步商業化過程的發展潛力，相關公司包括：大族激光、福晶科技、華工科技、巨星科技等。各上市公司在激光領域的產業布局，可參見我們2016年1月4日發布的《激光技術及應用專題研究》。
風險提示
新技術在應用推廣中的形式、進度、受益對象等具有不確定性的風險。
一、引力波：物理學界的百年猜想終得證實
2月11日，美國國家科學基金會宣布人類首次直接探測到引力波，這一發現被稱為愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」。廣義相對論描述具有質量的物體如何在時空環境下彎曲，據此預言加速運動的質量會產生引力波。此次探測到的引力波來自13億光年之外的兩顆黑洞在合併的最後階段，由損失的相當於3倍太陽的質量通過引力波形式釋放到宇宙空間。
1廣義相對論與引力波
阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在1915年發表了用幾何語言描述的引力理論，即廣義相對論，其基本原理是一切自然定律在任何參考系中應該具有相同的形式。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性/曲率，其與時空中的物質與輻射的能量-動量張量直接聯繫，其聯繫方式即愛因斯坦的引力場方程。
從廣義相對論得到的有關預言，跟經典物理有所不同，但在實驗觀察方面主要體現在高速、大質量的天體物理學領域，其經典驗證包括水星近日點進動、光線在引力場中的彎曲、光譜線的引力紅移等。
水星近日點進動：早在19世紀，天文學家勒威耶、紐康姆等人就觀察到水星近日點進動的觀測值，比牛頓定律計算的理論值每百年快34角秒。而根據愛因期坦的廣義相對論，由於太陽的質量造成周期空間發生彎曲，計算得到的多餘進動值與觀測吻合，這成為廣義相對論當時最有力的一個證據。
光在引力場的彎曲：1916年愛因斯坦根據廣義相對論計算出光線經過太陽或大質量星體附近時由於引力作用會產生變曲，後來陸續得到天文學觀測驗證。
2此次引力波觀測結果
引力波是根據廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，是時空曲率以行進波的形式向外傳遞的一種方式。加速運動的質量會產生引力波，但只有超大質量的星體運動才具備觀測的條件，例如雙星系統、超大質量黑洞合併、脈衝星自轉等。
2月11日，美國國家科學基金會宣布人類首次直接探測到引力波，此次探測到的引力波來自13億光年之外的兩顆黑洞在合併的最後階段，由損失的相當於3倍太陽的質量通過引力波形式釋放到宇宙空間。
引力波的預測，不僅為愛因斯坦的廣義相對論完成了一塊缺失的重要「拼圖」，更重要的是為解讀宇宙起源提供了一種有力手段。例如，一旦發現了宇宙大爆炸時期的引力波，就有可能揭開宇宙的各種源團。
二、一將功成萬骨枯？與LIGO相互競爭的技術和項目
1引力波探測技術的演進
20世紀60年代，美國馬里蘭大學物理學家約瑟夫·韋伯首次採用鋁製棒狀探測器探測引力波。當有引力波通過時，鋁棒與引力波發生諧振，使鋁棒產生形變，通過固定在鋁棒上的壓電感測器感知鋁棒的變化，從而探測引力波。
1960年Maiman研製成功第一台紅寶石激光器，從此開始了光學技術飛速發展的新時代。從此，激光干涉測量被廣泛地用於長度、角度、微觀形貌、轉速、光譜等領域，並和微電子技術、計算機技術集成，成為現代干涉儀。20世紀70年代，韋伯與加州理工學院的萊納·魏斯等人採用激光干涉的方式探測引力波。激光干涉採用邁克爾遜的干涉形式，引力波會引起兩個臂長的變化，導致干涉條紋的變化，只要探測到這種變化就可以發現引力波。目前激光干涉探測法是主流。
2美國最先投入，各國積極推進
美國LIGO最先投入，成果顯著。20世紀90年代，美國開始建設激光干涉引力波天文台LIGO。資金投入3.65億美元，於1999年11月建造了2台，臂長分別為4km和2km，兩台探測器相距3000km。2005年進行升級改造，激光功率提升至180W，探測範圍擴大1000倍，稱為Advanced LIGO。2016年2月11日，美國正式宣布人類首次直接探測到引力波，轟動全球。
需要說明的是，此次探測到的引力波觀測時間為2015年9月14日北京時間17點50分45秒，而此時的LIGO在升級後還未正式運行，靈敏度還未達到最佳狀態，但所幸已進入工作。
其他國家積極跟進。1995年，英德開始合建GEO600，干涉臂長600m，有效光學臂長1200m，可以探測的引力波的頻率範圍50Hz~1.5kHz。2005年，意法建成Virgo，干涉臂長3km，每個干涉臂的有效光程100km。1995年，日本開始建造TAMA300干涉儀，臂長300m。2010年，日本開始研製新一代引力波探測儀LCGT，2012年項目更名為KAGRA，干涉臂長3km，激光功率150W，預計2018年開始運行，預期靈敏度是TAMA300的100倍，可以媲美Advanced LIGO。2012年，印度啟動INDIGO項目，臂長4km，預期在頻率範圍30~800Hz。
3空間激光干涉器也在建設中
地面引力波探測器由於不能完全消除地面震動的雜訊，即使採用最先進的隔震措施，其最低的下限頻率為1Hz，而太空中的激光干涉器受到的震動干擾低，為1Hz以下的頻段測量提供了可能。
美國NASA和歐洲ESA計劃聯合建設空間激光干涉天線LISA（laser Interferometer space antenna），主要探測低頻引力波，頻率範圍為10-14~1Hz。2011年，由於經費問題，NASA退出LISA，該項目由ESA獨立承擔，更名eLISA。其結構與LIGO相似，計劃在太陽軌道上放置3個宇航器，排成等腰三角形，在每個三角形頂點，一對連續的穩定的激光向另外兩端發射，這樣構成3個邁克爾遜干涉儀。eLISA不會取代LIGO等地基引力波探測器，他們探測引力波的頻率不同，擴大了人類探索引力波的範圍。2015年12月3日LISA探路者已於發射升空。
2015年中國啟動「天琴計劃」項目，計劃用20年時間進行總投資150億元的引力波的研究。該項目由中山大學牽頭，目前已經啟動山洞超凈實驗室和激光測距地面台站基礎設施建設。根據規劃，「天琴計劃」將分4個階段實施：第一，地面設施建設；第二，無拖曳控制、星載激光干涉儀、空間等效原理檢驗；第三，高精度慣性感測、星間激光測距、全球重力場測量驗證；第四，完成所有關鍵技術，發射衛星進行引力波探測。
三、引力波「餘波未了」，科學突破的技術溢出值得期待
1曾經的阿波羅計劃：技術溢出帶動多個產業進步
在阿波羅計劃終結了40多年後的今天，回顧人類探月的這段歷史，對我們來說仍有現實意義。這項歷時10年的宏偉計劃，無論在工程管理還是技術創新上，都是一大創舉。阿波羅計劃的成功實施，帶動了整個國家科學與技術的全面創新和飛速發展，為美國帶來了巨大的技術和經濟利益。
從某種意義上說，20世紀70～80年代支撐美國經濟高速發展的技術，主要來自對月球探測技術的消化、優化和二次開發。今天美國航天工業、國防工業和許多民用工業的關鍵技術，很大部分來自阿波羅工程的第二代或第三代技術，或這些技術衍生的技術，通過月球探測發展起來的技術，已融入人們的日常生活和整個工業體系，例如數據傳輸與通信、光學通信、高性能計算機、電子技術、自動控制、人工智慧、遙科學、自動化加工、超高強度和耐高溫材料、生物工程、醫藥與醫學、深空測控、大推力運載火箭等。據不完全統計，從阿波羅計劃派生出了大約3000種應用技術成果，在阿波羅飛船登月後短短几年內，這些應用技術取得了巨大的效益——在登月計劃中每投入1美元，就可獲得4～5美元的產出。從事航天經濟學研究的專家們認為，阿波羅月球探測工程二次開發應用取得的效益，遠遠超過它本身所帶來的直接經濟與社會效益。
2引力波「餘波未了」：引力波探測儀涉及的關鍵技術
引力波信號傳遞到地球以後，其在激光干涉儀的接受器上會形成一個電子信號，這個電子信號在模數轉換後在終端電腦上表現為一個「引力波信號波形」，因此需要消除或者減少測試過程中的內外干擾。為了將干擾降到最低，美國LIBO採用了高精度隔震技術、超真空技術、激光干涉測量技術等。
高精度隔震技術。測試中涉及的外部干擾主要有太陽光壓及其微小變化、變化的太陽磁場、月球和地球重力場影響引起的變化,內干擾主要有地面電場對驗證質最塊的影響、殘留氣體對驗證質最塊的作用、用於測量衛星位置的電極的熱輻射作用等。LIGO採用了「主動阻尼」加「被動阻尼」隔震技術。
LIGO的真空管道的氣壓要求標準大氣壓的10-12倍。要達到這個要求，需用40天除去1萬立方米的氣體。主要步驟分為三步：1.加熱30天保持150℃~170℃除去氣體分子； 2.使用渦輪泵抽取大部分氣體；3.用離子泵在電場下抽取氣體，由於管道是金屬會持續產生電離的粒子，所以需持續保持離子泵運轉，以保證持續真空。
「超寂」平台技術。探測器光路穩定性與驗證質量塊雜訊分別達到10^-12m/Hz1/2與10^-15m/s2/Hz1/2量級，探測器的平台結構與熱控必須採用精細化設計，採用碳-環氧樹脂複合材料，熱隔絕，除載荷外不採用任何轉動部件，驗證質量塊的保持一個超穩定溫度環境，超低剩磁環境，也就是平台給載荷提供一個「超寂」環境。
激光干涉測量技術。激光干涉測量和多普勒測距技術原理相同。只是，該技術用激光紅外來替代無線電波。從一個探測臂發出的激光到達另一段時,不是直接被反射回來，因為經過如此長距離，激光的衍射損耗是非常巨大的。測最入射激光的相位，並將其用於反射激光的相位，激光的強度也相同，此過程即為轉發。當轉發的激光到達另一端，會和射出激光束部分重疊，能夠比較它們的相位。以測試質量為參考的相對相位測量，能給出兩個探測器之間由引力波引起的相對變化的信息。
同時，為了使激光保持穩定和純凈，光鏡的材料和形狀要求極高。LIGO激光發射系統中的光鏡由40kg左右純硅製成，表面實際製作精度的誤差在原子量級。製成後性能可以達到光吸收率極低，三百萬分之一，保持不變形；重聚焦性極好，多次反射後仍能聚焦。
在技術溢出方面，以激光干涉技術為例，因為激光具有極好的相干性，自問世以來出現了多種激光干涉儀。根據不同的使用要求，激光干涉儀分為單頻干涉儀、多頻干涉儀、半導體干涉儀、法布里-珀羅干涉儀等。在民用領域，激光干涉儀被廣泛應用於位移感測器、光學檢測、數控機床檢定等。
激光干涉技術在LIGO中的使用，讓我們看到了其在超高精度定位和超長距離無損衍射領域的驚人應用。LIGO在設計中涉及的各類關鍵技術，有望在未來被不斷消化、優化和二次開發，進而推動民用領域的應用。
五、投資建議和風險提示
我們特彆強調激光技術在此次引力波探測中起著關鍵作用，正如其活躍在量子通信、量子計算機、無人駕駛汽車（激光雷達）、先進位造（3D激光列印）等熱點領域；建議密切關注激光相關企業，未來在尖端科技突破和逐步商業化過程的發展潛力，相關公司包括：大族激光、福晶科技、華工科技、巨星科技等。各上市公司在激光領域的產業布局，可參見我們2016年1月4日發布的《激光技術及應用專題研究》。
風險提示：新技術在應用推廣中的形式、進度、受益對象等具有不確定性的風險。
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