清华教授质疑：必须要用超大型探测器才能量到引力波吗？
程曜
知识分子
2016-02-13
编者按：LIGO（激光干涉引力波天文台）对引力波的探测验证堪称经典，该论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），但由于没有给出残留黑洞的位置，以实际观测验证理论计算，清华大学教授程曜表示，“可以暂时断定，LIGO没有发现任何新的物理”，“即使未来加入意大利、日本、印度的引力波探测器协同运转，缓解一次性量测的困境，也必须更清楚指出波源位置，一定要探测到残留的星体光线证据，才能排除怀疑广义相对论的正确性”。
程曜认为，科学诞生于人人可以观察验证，很多重要的发现是百家争鸣的结果，“每一个科学家都有责任要问，仅仅花很多钱做少数几个很大的探测器，除了一将功成万骨枯之外，还有没有别的方法呢？”过去5年中，程曜一直在探索另一种只需小额经费在原子核层面进行的引力波研究，但在中国却得不到任何研究经费支持。
日月星辰运行井然有序不断重复，不由得让我们坚信天道恒久无私，有其固定不变的道理运作，公开公平诚实可信，人人均得以享有。不独物理的发展基于这个信念，多数作为野蛮与文明区别的认识都是如此。五百年前发现新大陆，四百年前开始观察太阳系，一百年前我们的视界脱离了银河系大步前行，在新千年之际已经到达了宇宙”边缘”。观察宇宙须要质量小且穿透性好的粒子，才能由很远的地方带来信息。
光子没有质量是个良好的信息媒介，既可以轻易的穿透空间，又比中微子容易探测。可惜光子与电荷同时出现，存在的范围有界，难以直接透露宇外事件。现在大家都相信引力波和光子一样没有质量，理当可以由远方带来光子所不能告诉我们的信息，透露宇宙和空间到底是如何组成的。新的观测手段无比重要，屡屡带动重大变革。望远镜观察天体超越太阳系，揭开了认识体系中的盲点，才有现今的宇宙观。
引力波望远镜毫无疑问将进一步扩大我们的眼界，翻开新的篇章。姑且接受广义相对论的图像，把引力波视为是一种扭曲的时空扰动，由相互运动的质量发射，质量越大旋转越快，引力波就越强。由时间反演对称推论，频率越高的引力波在传播中的衰减机率越大。直观来说，自旋为2的引力波的作用就像月亮对海洋产生的潮汐力，能够把地球为中心的海洋球面变成椭球，海平面的变化重新定义了长短轴上的度规。
一般人乐观地认为引力波可以像光子一样在太空中传递不被吸收，但到达地球的引力波还是非常微弱，弱到小数点后面有二十几个零。引力波的振动幅度没有单位，它是一种相对比值。为了能够量到引力波，必须在非常大的数字之内量到极小的变化。比如说，要在相距五百万公里的两颗人造卫星之间，量到比氢原子还要小的距离变化。
当今世上主要的引力波探测器，比如美国的LIGO，都按照这样的工作原理建造，垂直交叉的L型双臂各自安装了一对相距四公里的大镜子，用很强很稳定的激光探测镜子之间的距离变化，再推算是否具有引力波特征。地表震动限制了LIGO的低频灵敏度，迫使探测频率移往100Hz区段，不能探测稳定双星所发出的毫赫兹信号，只能探测到双星或超新星等毁灭瞬间的偶发事件。
因此我们还须要建两座以上的探测器，彼此相距够远排除地表震动同时的干扰。一旦同时量到引力波信号，指向同一个方向，才能确定是由天上来的，而不是地表的偶发事件。这种庞大的探测器随着地球转动指向不同的方向，注定无法追踪稳定目标增加可信度，只能量测偶发事件而难以排除争议。2002年开始，五次LIGO的科学运转都没量到引力波。升级加强两倍灵敏度后，还是没有量到。
再度升级的Advanced LIGO灵敏度又多增加五倍，2016年2月11日早上LIGO举行了记者招待会，宣布他们已经在2015年9月14日测试两个探测器的时候，意外地同时测量到非常相似的信号，也成功地以广义相对论拟合了GW150914事件，推测是两个黑洞合并，而残留一个小质量黑洞。论文发表在PRL，没有给出残留黑洞的位置，因此可以暂时断定，LIGO没有发现任何新的物理。
伽利略在四百年前就提出一个科学最重要的精神，实验结果必须要能够重复验证。即使未来加入意大利、日本、印度的引力波探测器协同运转，缓解一次性量测的困境，也必须更清楚指出波源位置，一定要探测到残留的星体光线证据，才能排除怀疑广义相对论的正确性。除此之外，我们还必须问一个非常严肃的事实，“一年量到几个讯号能够对物理产生什么好的贡献？”这么重大的问题，必须要量到很多重复而且不同的信号才能告诉我们物理的奥秘。
新的实验手段和数学工具，主导了科学进步。科学诞生于人人可以观察验证，很多重要的发现是百家争鸣的结果。每一个科学家都有责任要问，仅仅花很多钱做少数几个很大的探测器，除了一将功成万骨枯之外，还有没有别的方法呢？引力波改变的度规不只有长度，也改变时间的快慢。如果不检查长度变化而检查频率变化，就可以避免使用距离数百万公里的探测器，反而可以用越小频率越高的探测器。自然界常见最小的稳定结构就是原子核。
用大量的原子核要达到探测效果，起码有几个基本条件要满足。不但每个原子核都一样，个别的灵敏度和品质因子要足够好，还要能有效叠加个别信号到可以探测的量。外界干扰对每个探测器的杂信干扰要足够小，使得杂信相互叠加可以相互抵消。
传感器有一个本质上的分辨能力叫做品质因子。想知道一个音叉的频率，只量一秒钟不可能得到十分之一赫兹的数值。测不准原理就这么简单，耗损快的震动频率展宽变大。想量到引力波对频率的影响，一定要找一种振荡频率高而且长久的音叉，才有可能量到引力波带来微小的变化，原子核的振荡刚好具有这种特性。原子核带电，振荡表现为电磁波，也就是伽马射线。
一些原子核只有一种天然同位素，纯化几克很容易就得到天文般带有二十几个零数目的原子核，个个都一样。如果伽马光子可以由一个原子核发射又被另一个原子核吸收的话，伽马光子不会以光速运动，而缓慢在晶格间跳动形成核激子态，好像粘在原子上变重变慢。激子密度超过一定的阈值时，会凝结进入集体态，再也不能分辨出个别的激子，称之为波色爱因斯坦凝聚，也叫量子液体。
受到挂在晶格上等距排列完全相同的原子核诱导，多极矩核跃迁更容易同时发射两个纠缠的伽马光子，发射后立即再度被吸收。当原子核吞吐双光子的拉比振荡远快于原子热震动的时候，双光子吃掉声子合并成为核激子，由边界和晶格缺陷泄漏，造成不正常的衰减速率，随着密度和温度变化。
双光子的拉比振荡我早在2006年观察到，八年后一直到2014的会议论文中才算正式公开，新的两篇期刊论文以四年的辐射测量，不但严谨地证实了激子在样品表面和缺陷非线性泄漏的现象，也由杂质光电效应与激子密度平方变化说明了双光子的物理现象。
实验使用反应堆的中子束激活单晶铌形成核激子量子液体，在四度K的低温下，铌金属进入超导。缓慢通过微小的数赫兹交变电流，本来不应该出现任何电压，而我们却量到了纵向及横向的电压，幅度和相位随着磁场非线性快速上升移动，出现前所未见的奇异对称性。这种磁电效应隐约指向崭新的三维拓扑绝缘体材料，可能在未来计算元件上有非凡的用途。
我分析了量子液体各自旋分量将受到引力波调制形成彼此之间的相位差，给出量测引力波的灵敏度评估。量子液体不但在室温已经形成，而且寿命长达数年，具有实用价值。仔细观察量测到的各种数据，已发现在特殊安排下，量测引力波的指向性与灵敏度还有很大的调整空间，超越论文所描述的基本特性。
由对称性知道，探测器正反面都能量到相同的信号，我们曾经观察到在12小时由地球自转导致的重复信号，并且还有个重复的6.2mHz信号，恰巧与本银河中已知最强的引力波源的频率一样。但是要证明是引力波信号，还有几件重要的实验必须完成，比如数个探测器在不同的地方，都能追踪同一个引力波源，随着地球自转公转而变化，或者同步量测稳定双星的引力波和光学信号。
没有经费支持的状况下，一部分由我自己掏钱继续收集数据，一部分由台湾的学界支持。引力波量测既然这么重要，不须要花大钱几乎唾手可得，为什么过去五年我都拿不到任何研究经费呢？就在2015年论文发表之后，我申请的基金委的面上项目，三位评审仔细阅读计划书了解原创性后同意支持，符合了基金委同行评议的常规。却还有个第四位评审，他根本没有阅读计划书的内容，还能够反对而不支持。
为什么我知道第四位评审不像前三位仔细阅读了计划内容？因为他反对的理由和我的计划书完全无关，只声明了传统的观念，必须要用超大型探测器才能量到引力波。我不禁怀疑这种野蛮无知的行径，以及基金委官僚体系不接受申请人要求复查的无作为，才是中国失去原创力的原因。如果坚持旧的观念，科学怎么可能进步？发放数额庞大的经费给旧观念，不支持小额经费论述充分的研究，不正说明中国拒绝原创性研发。
2006年5月24日早上在清华大学加速器小楼量测到疑是引力波信号的频谱。图中红字为已知的稳定引力波源名称及其频率。当时以加速器激发铑原子核的长寿命穆斯堡尔态两个小时，累积的激发态密度超过了量子液体凝聚的阈值。然后在缓慢衰变的过程中，倒入液氮来冷却样品。于是观察到伽马射线的拉比振荡缓慢变化，大约观察了三十分钟，液氮耗尽。观察的时间不够长，所以图中量测到的频率会有误差，越低的频率误差越大。
相同实验方法做了十几次，四次的密度够多成功得到量子液体，只有这次的冷却时间最长，比较有效。时间段不同所得频率也不同，有些频率似乎有重复的迹象。