来源丨广发证券发展研究中心机械/电子小组
机械丨罗立波 刘芷君 代川 王珂 周静
电子丨许兴军 王亮 叶浩 余高 王璐 王帅
引言：
今年的诺贝尔物理学奖被授予韦斯等3名美国教授，表彰其在引力波探测领域做出的突出贡献。在赞叹基础科学突破的同时，我们同样强调，这跟技术提升是紧密交融、相互促进的。
2017年诺贝尔物理学奖花落引力波
10月3日，
2017年度诺贝尔物理学奖
授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯、加州理工学院教授基普·索恩和巴里·巴里什，以表彰他们在
LIGO探测器和引力波观测
方面的决定性贡献。
2016年2月11日，美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台（LIGO）”的研究人员宣布，他们在
2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。这是人类历史上第一次探测到引力波
，这一发现被称为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。
我们既为物理学家天才般的理论设想折服，同样也借此机会走进引力波背后的技术故事，探寻其成功奥秘和深远影响。很多人略有遗憾的感慨，中国未来是否有机会为类似的重大科学突破贡献更多的智慧。仔细审视后我们能够发现，
科学与技术的发展往往是紧密交融与相互促进的。
一将功成万骨枯？与LIGO相互竞争的技术和项目
早在20世纪60年代，美国科学家根据谐振原理，研制出了铝制棒状引力波探测器。
在1960年代随着第一台红宝石激光器的出现，光学技术开始飞速发展而激光干涉技术也被应用于引力波的探测，并成为目前主流探测技术。
1999年美国建成了2台臂长为4km和2km的探测器。2005年进行升级改造，探测范围扩大1000倍，被称为Advanced LIGO。在美国的LIGO计划开始之后，欧洲也开始进行引力波探测计划。
目前，主要有英国和德国合作的GEO 600探测器，法国和意大利合作的VIRGO探测器等。中国目前在引力波探测方向的项目是“天琴计划”。
引力波“余波未了”，科学突破的技术溢出值得期待
正如阿波罗登月计划的成功实施，带动了美国科学与技术的全面创新和飞速发展。
通过月球探测发展起来的技术，已融入人们的日常生活和整个工业体系。激光干涉技术在LIGO中的使用，让我们看到了其在超高精度定位和超长距离无损衍射领域的惊人应用。
LIGO在设计中涉及的各类关键技术，有望在未来被不断消化、优化和二次开发，进而推动民用领域的应用。
给我们的启示
激光技术在此次引力波探测中起到的关键作用，正如其活跃在
量子通信、量子计算机、无人驾驶汽车（激光雷达）、先进制造（3D）等热点领域
；
建议密切关注激光相关企业，未来在尖端科技突破和逐步商业化过程的发展潜力。注：相关情况，可以参见我们2016年1月4日发布的报告
《激光技术及应用专题研究》。
一、引力波：物理学界的百年猜想终得证实
10月3日，2017年度诺贝尔物理学奖授予美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯、加州理工学院教授基普·索恩和巴里·巴里什，以表彰他们在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献。2016年2月11日，美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台（LIGO）”的研究人员宣布，他们在2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。这是人类历史上第一次探测到引力波，这一发现被称为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。
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广义相对论与引力波
阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1915年发表了用几何语言描述的引力理论，即广义相对论，其基本原理是一切自然定律在任何参考系中应该具有相同的形式。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性/曲率，其与时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接联系，其联系方式即爱因斯坦的引力场方程。
从广义相对论得到的有关预言，跟经典物理有所不同，但在实验观察方面主要体现在高速、大质量的天体物理学领域，其经典验证包括水星近日点进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线的引力红移等。
水星近日点进动：
早在19世纪，天文学家勒威耶、纽康姆等人就观察到水星近日点进动的观测值，比牛顿定律计算的理论值每百年快34角秒。而根据爱因期坦的广义相对论，由于太阳的质量造成周期空间发生弯曲，计算得到的多余进动值与观测吻合，这成为广义相对论当时最有力的一个证据。
光在引力场的弯曲：
1916年爱因斯坦根据广义相对论计算出光线经过太阳或大质量星体附近时由于引力作用会产生变曲，后来陆续得到天文学观测验证。
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此次引力波观测结果
引力波是根据广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，是时空曲率以行进波的形式向外传递的一种方式。加速运动的质量会产生引力波，但只有超大质量的星体运动才具备观测的条件，例如双星系统、超大质量黑洞合并、脉冲星自转等。
2月11日，美国国家科学基金会宣布人类首次直接探测到引力波，此次探测到的引力波来自13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段，由损失的相当于3倍太阳的质量通过引力波形式释放到宇宙空间。
引力波的预测，不仅为爱因斯坦的广义相对论完成了一块缺失的重要“拼图”，更重要的是为解读宇宙起源提供了一种有力手段。例如，一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就有可能揭开宇宙的各种源团。
在庆祝基础科学获得重大突破的同时，我们既为物理学家天才般的理论设想深深折服，同样有机会走进背后的技术故事，不断探寻其成功奥秘和深远影响。我们注意到，很多人略有遗憾的感慨，中国科学家未来是否有机会更多的为类似的重大科学突破贡献智慧，而仔细审视能够更多的感受科学与技术的紧密交融与相互促进。
二、一将功成万骨枯？与LIGO相互竞争的技术和项目
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引力波探测技术的演进
20世纪60年代，美国马里兰大学物理学家约瑟夫·韦伯首次采用铝制棒状探测器探测引力波。当有引力波通过时，铝棒与引力波发生谐振，使铝棒产生形变，通过固定在铝棒上的压电传感器感知铝棒的变化，从而探测引力波。
1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器，从此开始了光学技术飞速发展的新时代。从此，激光干涉测量被广泛地用于长度、角度、微观形貌、转速、光谱等领域，并和微电子技术、计算机技术集成，成为现代干涉仪。20世纪70年代，韦伯与加州理工学院的莱纳·魏斯等人采用激光干涉的方式探测引力波。激光干涉采用迈克尔逊的干涉形式，引力波会引起两个臂长的变化，导致干涉条纹的变化，只要探测到这种变化就可以发现引力波。目前激光干涉探测法是主流。
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美国最先投入，各国积极推进
美国LIGO最先投入，成果显著。20世纪90年代，美国开始建设激光干涉引力波天文台LIGO。资金投入3.65亿美元，于1999年11月建造了2台，臂长分别为4km和2km，两台探测器相距3000km。2005年进行升级改造，激光功率提升至180W，探测范围扩大1000倍，称为Advanced LIGO。2016年2月11日，美国正式宣布人类首次直接探测到引力波，轰动全球。
需要说明的是，此次探测到的引力波观测时间为2015年9月14日北京时间17点50分45秒，而此时的LIGO在升级后还未正式运行，灵敏度还未达到最佳状态，但所幸已进入工作。
其他国家积极跟进。1995年，英德开始合建GEO600，干涉臂长600m，有效光学臂长1200m，可以探测的引力波的频率范围50Hz~1.5kHz。2005年，意法建成Virgo，干涉臂长3km，每个干涉臂的有效光程100km。1995年，日本开始建造TAMA300干涉仪，臂长300m。2010年，日本开始研制新一代引力波探测仪LCGT，2012年项目更名为KAGRA，干涉臂长3km，激光功率150W，预计2018年开始运行，预期灵敏度是TAMA300的100倍，可以媲美Advanced LIGO。2012年，印度启动INDIGO项目，臂长4km，预期在频率范围30~800Hz。
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空间激光干涉器也在建设中
地面引力波探测器由于不能完全消除地面震动的噪声，即使采用最先进的隔震措施，其最低的下限频率为1Hz，而太空中的激光干涉器受到的震动干扰低，为1Hz以下的频段测量提供了可能。
美国NASA和欧洲ESA计划联合建设空间激光干涉天线LISA（laser Interferometer space antenna），主要探测低频引力波，频率范围为10-14~1Hz。2011年，由于经费问题，NASA退出LISA，该项目由ESA独立承担，更名eLISA。其结构与LIGO相似，计划在太阳轨道上放置3个宇航器，排成等腰三角形，在每个三角形顶点，一对连续的稳定的激光向另外两端发射，这样构成3个迈克尔逊干涉仪。eLISA不会取代LIGO等地基引力波探测器，他们探测引力波的频率不同，扩大了人类探索引力波的范围。2015年12月3日LISA探路者已于发射升空。
2015年中国启动“天琴计划”项目，计划用20年时间进行总投资150亿元的引力波的研究。该项目由中山大学牵头，目前已经启动山洞超净实验室和激光测距地面台站基础设施建设。根据规划，“天琴计划”将分4个阶段实施：第一，地面设施建设；第二，无拖曳控制、星载激光干涉仪、空间等效原理检验；第三，高精度惯性传感、星间激光测距、全球重力场测量验证；第四，完成所有关键技术，发射卫星进行引力波探测。
三、引力波“余波未了”，科学突破的技术溢出值得期待
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曾经的阿波罗计划：技术溢出带动多个产业进步
在阿波罗计划终结了40多年后的今天，回顾人类探月的这段历史，对我们来说仍有现实意义。这项历时10年的宏伟计划，无论在工程管理还是技术创新上，都是一大创举。阿波罗计划的成功实施，带动了整个国家科学与技术的全面创新和飞速发展，为美国带来了巨大的技术和经济利益。
从某种意义上说，20世纪70～80年代支撑美国经济高速发展的技术，主要来自对月球探测技术的消化、优化和二次开发。今天美国航天工业、国防工业和许多民用工业的关键技术，很大部分来自阿波罗工程的第二代或第三代技术，或这些技术衍生的技术，通过月球探测发展起来的技术，已融入人们的日常生活和整个工业体系，例如数据传输与通信、光学通信、高性能计算机、电子技术、自动控制、人工智能、遥科学、自动化加工、超高强度和耐高温材料、生物工程、医药与医学、深空测控、大推力运载火箭等。据不完全统计，从阿波罗计划派生出了大约3000种应用技术成果，在阿波罗飞船登月后短短几年内，这些应用技术取得了巨大的效益——在登月计划中每投入1美元，就可获得4～5美元的产出。从事航天经济学研究的专家们认为，阿波罗月球探测工程二次开发应用取得的效益，远远超过它本身所带来的直接经济与社会效益。
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引力波“余波未了”：引力波探测仪涉及的关键技术
引力波信号传递到地球以后，其在激光干涉仪的接受器上会形成一个电子信号，这个电子信号在模数转换后在终端电脑上表现为一个“引力波信号波形”，因此需要消除或者减少测试过程中的内外干扰。为了将干扰降到最低，美国LIBO采用了高精度隔震技术、超真空技术、激光干涉测量技术等。
高精度隔震技术。
测试中涉及的外部干扰主要有太阳光压及其微小变化、变化的太阳磁场、月球和地球重力场影响引起的变化,内干扰主要有地面电场对验证质最块的影响、残留气体对验证质最块的作用、用于测量卫星位置的电极的热辐射作用等。LIGO采用了“主动阻尼”加“被动阻尼”隔震技术。
超真空技术。
LIGO平台拥有全球最大也是纯度最高的真空作业室。因为只有达到极高的真空程度，才能最大程度减少激光在腔体中因空气导致的能力损耗和波长扰动。
LIGO的真空管道的气压要求标准大气压的10-12倍。要达到这个要求，需用40天除去1万立方米的气体。主要步骤分为三步：1.加热30天保持150℃~170℃除去气体分子； 2.使用涡轮泵抽取大部分气体；3.用离子泵在电场下抽取气体，由于管道是金属会持续产生电离的粒子，所以需持续保持离子泵运转，以保证持续真空。
“超寂”平台技术。
探测器光路稳定性与验证质量块噪声分别达到10^-12m/Hz1/2与10^-15m/s2/Hz1/2量级，探测器的平台结构与热控必须采用精细化设计，采用碳-环氧树脂复合材料，热隔绝，除载荷外不采用任何转动部件，验证质量块的保持一个超稳定温度环境，超低剩磁环境，也就是平台给载荷提供一个“超寂”环境。
激光干涉测量技术。
激光干涉测量和多普勒测距技术原理相同。只是，该技术用激光红外来替代无线电波。从一个探测臂发出的激光到达另一段时,不是直接被反射回来，因为经过如此长距离，激光的衍射损耗是非常巨大的。测最入射激光的相位，并将其用于反射激光的相位，激光的强度也相同，此过程即为转发。当转发的激光到达另一端，会和射出激光束部分重叠，能够比较它们的相位。以测试质量为参考的相对相位测量，能给出两个探测器之间由引力波引起的相对变化的信息。
