引力波是什么？作为天文科研的巨大突破，探测引力波的关键科技是什么？引力波发现的最大困难是什么？引力波的发现对人类有何意义？引力波探究的未来发展方向是什么？
Rana Adhikari，加州理工学院教授，LIGO科学项目组成员，致力于引力波探测研究20年，是为数不多的通晓LIGO装置的专家之一。其主要研究领域是超越基础物理学极限的精确测量，以期获得在引力及量子力学方向的突破。
本文根据2016年10月28日采访节选、整理而成。
问：引力波是个抽象概念，您能否用几句话介绍引力波？
答：你可以把自己想象成一条鱼。现在有两条鱼，分别叫做“科学家鱼”和“音乐家鱼”。这两条鱼在对话：“科学家鱼”说“我发现了水。” “音乐家鱼”问“什么是水？你所说的‘水’是什么？”水对其而言无法理解，因为全宇宙充满了水，而且从古至今都如此。正如我们看着空荡荡的空间，聊着空空如也的空间，你可以问我“你所说的空间在哪里？这里是空的，空无一物。但是“科学家鱼”知道水是存在的，只是“音乐家鱼”无法理解罢了。
我们可以研究水的运动方式。如果海的另一边发生震动，像一条巨大的鱼在晃动，那么我们可以探测这种波动。有人说“你在说什么？这并没什么大不了。这种晃动微不足道。”但是“科学家鱼”说“不，这非常重要。因为我们可以了解整个大海：哪里有食物，哪个区域温暖，哪个区域寒冷，人类从哪里出现。我们可以通过水中的波动研究整个海洋。”
双黑洞产生的时空涟漪“引力波”示意图
鱼类能感知的“宇宙”其实非常狭小，而我们的宇宙浩渺无边，因为我们是比鱼更高级的物种。我们利用引力波绘制天空的图像，从而看到威力巨大的引力能源的来源及构成。一位听力衰竭的耄耋老人基本听不到任何声音，但是如果声音足够大，老人就可以隐约听到，这就像是我们和引力波的关系。目前我们对引力波的敏感度很差，只是刚开始听到而已。就好比，即使用手遮住双眼，我们仍然可以看到一些光束，因为光可以穿过指缝。目前我们可以对宇宙略知一二，但是不够透彻。
引力波很难想象。人类拥有听力、视力、嗅觉、味觉，但是缺失引力感。所以引力波难以用文字描述，它是人类的一种新感知。
问：您何时决定研究引力波？为什么选择该领域？
答：我最近也在思考这个问题。我们都会回想：如果我当初选择另一条路，现在的生活会怎样？刚入大学时我最感兴趣的是音乐，我本来可以选择音乐，那么现在我可能是个音乐家。我会弹弹吉他，加入摇滚乐队。但是世界上想要成为著名音乐家的人要比立志成为著名物理学家的人多得多，所以比起音乐界，物理界的竞争小得多。
我最近才领悟到大约自三岁起我就一直在为实验物理学做准备。三岁时，我的母亲开始教我数学。在美国满四岁或五岁才可以入学，我母亲在我三岁时决定让我开始学习，于是她教授我简单的数学。因此，五岁时我的数学水平比其他在校同龄人高一截。我的父亲在我五岁时开始教我修理家里的所有家当。早期接受数学教育及家庭修理经历（比如修理汽车、咖啡机、电视、电子游戏机）为我的实验物理学打下了坚实的基础。因此在初入大学时，我几乎没有选择：我的音乐技巧只是三脚猫功夫，但是我的一生都在为实验物理学做准备。
问：既然我们无法看到、感知引力波，那么或许通过科技我们可以探测到引力波。请问第一代引力波直接观测器的关键科技是什么？
答：海里的鲸鱼一直在对话，但是我们无法听到它们的声音，因为它们说话的频率与人类不同。但是如果我们利用一种特殊的科技，即使听不懂鲸鱼在讲什么，至少我们可以听到它们的对话。现在我们已经拥有录制鲸鱼音乐的技术。新型引力波探测器与此类似，能够记录宇宙中的引力信号。所以我们接收信号，并将信号转化为可以在手机上听取的音频。只要宇宙中有动静，我们就可以将信号记录在手机上，像听音乐一样聆听。
Rana Adhikari教授正在做引力波探测实验（图片由Rana Adhikari教授提供）
我们使用的技术是激光干涉技术。该项技术由来已久，但是近百年来我们一直在进行优化。百年前，人类就曾利用光干涉开展各种物理实验，但是古人使用的是烛光、阳光或其他类似的光。有时如果水面有层油，你会看到水面色彩斑斓，呈现不同的形状，那就是光干涉，光在油的内部制造一些波纹。而在当代我们使用的是激光，激光如同阳光，但是它只有一种颜色，而阳光是五颜六色的，因此激光更纯粹。通过一个巨大的激光测量系统我们可以测量干涉，从而研究宇宙的伸展程度。
日常生活中一些儿童玩吹泡机，肥皂泡满天飞。如果你仔细观察肥皂泡的边缘，会发现那里色彩斑斓。那是因为阳光进入肥皂泡，并在泡内翩翩起舞，就如同油表层的景象，光在四处活动。这就是“干涉”。如果肥皂泡晃动，那么色彩也会产生变化。你看到的变化色彩的“干涉图”传递出肥皂变化程度的信息。这就是我们所使用的技术。
问：在探索引力波的过程中，您认为您遇到的最大困难是什么？
答：人。自然界非常简单，一目了然。人是科学中最大的难题，因为人是不可预知的。比如说你有数百人的大团队，每个人必须团结协作才能获得发现。但是怎样协调各方？假如每个人各司其职，那么引力波早就发现了。但是人是有情绪的，比如开心、悲伤，比如周末怎样过？午餐吃什么？你想告诉他们：保持安静，做好本职工作。这样所有人就会目标一致，共同努力，团结一致的力量要强大得多。但是事实并非如此：每个人有各自的努力方向，大概有百分之十的方向是正确的，百分之九十则是乱成一团麻。因此人是个大难题，机器反而容易操作。当我们对同一个问题有同样浓厚的兴趣时我们的力量非常强大。有时三到四个人一起工作，对下一步操作有同样的灵感，所有人产生同样的想法，不再提出异议，工作的进展非常迅速。取得如此快速进展正是因为所有人为同一想法而激动不已。这种时刻让人难以置信，但是大多时候进展不像这样顺利。
Rana Adhikari教授及其实验组部分成员（图片由Rana Adhikari教授提供）
问：您认为继发现引力波后，引力波领域下一重大发现会是什么？
答：我认为未来几年可能探测到更多我们已发现的由双黑洞并合产生的引力波。我们会进一步优化探测器，从更多黑洞中发现更多信号。
我经常让自己从非科学家的角度思考这类问题。换个角度而言，我不喜欢别人浪费我的资金，目前一些国家就在把钱抛向无底洞。所以我在思考，既然我们已经发现了引力波，为什么我们需要发现更多引力波呢？我已经有一个或两个，给我十个或二十个有什么用处？
我们探测引力波并不是想表明我们发现引力波，而是希望通过这些信号研究宇宙如何运行。这是一种全新的信息。在首次使用手机时，人类只是用手机相互打招呼，但是现在我们使用手机持续通话，这非常实用。引力波告诉我们宇宙运行的情况，如果我们接收到十次引力波，那么我们对宇宙的了解就会增强十倍。通过听取引力波、将探测仪改进得越来越敏感，我们会发现宇宙运行的细节，而微观的细节可以帮助我们了解宏观的宇宙。
问：您为什么认为引力波的发现对人类意义重大？
答：这个问题很难回答。也许引力波的发现最终对人类毫无裨益，这些我们尚且未知。但是通过了解宇宙中发生的事情，我们可以了解宇宙的初始状态。我们使用各种各样的望远镜研究宇宙的温度，宇宙的亮度，宇宙中有多少行星。你可能会问“这有什么用呢？我们为什么在夜晚仰望星空？人类仰望星星有什么重要意义？”我会说：我们仰望星星，人类看到希望。引力是仰望星星的另一种方式，只是它与人类所使用的望远镜大不相同。但是可以预见的是，使用引力描绘的宇宙图像将会彻底颠覆我们对宇宙的认知。
技术人员正在测试LIGO悬挂的镜子（图片由Rana Adhikari教授提供）
问：下一代引力波探测器的关键技术是什么？
答：对这一问题我们内部有不少争论，这不是一件坏事情。关于新一代探测器每个人都有不错的想法，而且每个人的想法不尽相同。所以我们聚在一起探讨会发生争论。
问：那么您认为新一代探测器应该具备怎样的主要特征？
答：第一个主要特征是体积庞大，比以往的探测器都要大。引力波来临时就是在拉伸地球。如果探测器长度一米，那么它无法找到信号。如果长一千米，它很难测量引力波。如果长一万米或十万米，那么它的测量范围会更广。因此如果一个国家有足够的空间，那么它的巨型探测仪可以成为世界的主导。这需要一定的资金，但是其实不难，因为只是在重复测量，而且我们可以做得更好。
引力波探测仪有两个主要问题：其一是仪器镜在系统中移动过多，导致仪器过度震动。其二是如何使用激光测量震动。
声光调制器（Acousto-optic modulator），引力波探测研究的主要光学零件之一，用于稳定激光器。（图片由Rana Adhikari教授提供）
最近陈雁北（同样任教于加州理工学院）和我在思考第二个问题，也就是使用激光测量的用处及极限。通常人们会从量子力学出发，认为激光测量最后会达到一个量子极限：因为世界并不是连续的，我们看到的光其实是量子化的；通过快速仪器我们会发现激光束其实是由一个一个的光子产生的。但是我们最近发现这个极限并非真正的极限。具体细节非常复杂，但是我想说的是如果我们对量子物理及使用的仪器足够了解，那么我们能够超越我们曾认为的量子物理学中的极限，也就是说，我们曾认为一个大探测仪或小探测仪的极限与人类科技能够达到的极限极其接近。但是，现在我们认为，通过更深入地了解激光物理及量子物理，我们能够将探测仪变得比现在敏感得多，从而发现宇宙中所有的引力波。这也就意味着我们可以测量到初始宇宙。宇宙初始之时应该会发出声音，而这种声音最初主要是引力。声音产生的震动应该仍然在宇宙中回荡。我们想要听到震动的声音，从而发现宇宙初始是何种声音。
问：既然当今世界已建造了许多探测设备，您认为其他国家，如中国，有必要再建造吗？
答：这只与好奇心有关，无关乎必要性。我会说如果中国进军引力波探究领域，那么现在是个有趣的时机，因为中国可能会成为该领域的领头羊。主要是因为以下几个原因：现在我们对技术更加了解；目前世界上的探测器是基于十年甚至十五年前的认知，而我们的新认知有了大大的提升。如果现在建造新的探测仪，那么将会与十年前的设计大大不同。而且我们有了建造大型探测仪的想法。因此在中国只要探测仪足够庞大，再加上一两项新技术，那么将会比目前这一代探测仪敏感十倍。十倍意味着探测器的探测距离远十倍。这十倍只是距离范围的增大，但你得计算相应体积的增大和源数目的增加。其实如果探测仪能够变得这么敏感，那么中国的探测仪每天探测到的信号数目比其他探测仪会多1000倍。这个数值非常大！
这意味着其他探测仪可能每天发现十个信号，但是中国的探测仪会记录一万个引力波信号。接收到少数信号与大量信号的作用大相径庭。正如我们在一个房间聊天，通过说话的声音可以判断房间很小。因为你可以听到从墙上返回的声音。同样地，引力波就像是宇宙中某种噪音。当信号传递到我们时，我们可以了解房间的形状，这里的房间就是整个宇宙。我们对宇宙有一些疑问：宇宙有多大？宇宙过去有多大？宇宙什么时候很小，什么时候变大？ 我们认为世界是三维的：上、下、左、右。或许过去宇宙是另一种形状，以前的宇宙更扁平，后来扩大。或许宇宙在初始时，是更多维度而不是三维，可能是四维。我们几乎无法想象四维意味着什么。这对中国而言是个机会，能够发现其他宇宙、其他维度。取得几何学及宇宙历史的新发现将会是科研界最大的成就。
我想还有更深层的意义，对我们来说为何爱因斯坦的引力理论是真理仍是个谜。爱因斯坦的理论很不错，听起来似乎是正确的。但是我们不知道为什么是正确的。宇宙是否是另一种形态？或许如果引力波确实精准，我们会发现爱因斯坦的理论需要修正。然后一百年后又诞生一个新的引力理论，出现另一个爱因斯坦。
问：诺贝尔奖公布之前许多人猜测LIGO团队会获得诺贝尔奖，您怎样认为？您是否想过赢得诺贝尔奖？
答：不，我不愿获诺贝尔奖。因为我喜欢我从事的工作。如果一个人获得诺贝尔奖，他就不能在球场踢球（从事一线工作）了。荣获诺贝尔奖的人将会被请出“球场”，成为球队老板或者教练。但是我仍然喜欢踢球。
我们已经取得了科学发现，这非常棒。还有什么更大的奖励呢？诺贝尔奖只不过是一些钱、一个金牌。但是这些远远不能与科研发现的乐趣相提并论。现在我们有了发现，知道下一步应该做什么，而且未来的新发现将会更多。
我认为诺贝尔奖是一个伟大的奖项。一些人获诺贝尔奖，其余的人则继续进行扣人心弦的冒险。我认为获得诺贝尔奖是一份殊荣，优秀的人应该获诺贝尔奖。但是我已经获得了不少奖项，能够与这些伟大的科学家共事本身就是一份殊荣，而且乐趣无穷。
问：我想您已经见过一些中国学生，您认为他们的优势和劣势分别是什么？
答：这个问题很微妙，我不想说这里的学生的坏话。我已经与中国的学生共事过很长一段时间，因为在加州理工学院有不少学生来自于清华、北大。我觉得他们的能力不错，数学基础非常扎实，但是总体而言刚开始时他们的实验基础不够扎实。但是一年半载后他们的能力大大提高。这与印度非常相似，印度的学生初来美国时，理论物理及数学基础非常好，但是实验方面较差。
图为Rana Adhikari教授的三位学生及其实验中使用的扳手。为确保高效高质工作，扳手的质量非常高，每个扳手价值50美元。（图片由Rana Adhikari教授提供）
我认为这只是文化差异，在一些文化中如果常常用双手劳动，比如修理物品导致双手变脏，双手劳动不被视为高等工作，而是二等甚至三等工作。实验物理既包含数学、课堂学习，也包含双手劳动。擅长实验物理的人热爱用双手工作。不仅仅是在中国或印度，在许多国家，从事弄脏双手或类似工作的人不被视为精英人士。但是实验经历是必须的——当天文仪器发生故障时实验人员能够修理似乎是常理。正如家里的咖啡机坏了，必须要人修理。我不想等待，我现在就需要使用，所以我来修理。
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