量子通讯速度 喵星人可能早就发展出了引力波探测技术，否则为什么每次我刚想倒(4)

LIGO的探测原理，跟迈克尔孙-莫雷实验有相似之处，都是通过光程差产生干涉条纹。不同之处在于，相对论会告诉你，迈克尔孙-莫雷实验中看起来应该有光程差，但“这个真没有”，而LIGO实验中看起来没有光程差，但在引力波通过时就“这个可以有”。正是由于干涉条纹对于光程差的极端敏感性，才能测出这么微小的效应。

LIGO的探测原理

实际上，现代科学的许多成果，都来自探测技术的进步。

2016年8月16日，中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。它的主要成果之一，是在卫星与地面站之间实现量子保密通信。而要实现这一点，关键就是在星地之间上千公里的距离上，探测到单个光子，因为量子保密通信要求一个光脉冲只能包含一个光子。

卫星和地面处于高速的相对运动之中，所以它们之间的对准难度很大，好比“在五十公里以外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”。但经过潘建伟等研究者的艰苦努力，我们终究还是做到了！

墨子号量子卫星与兴隆地面站用信标光对准

最近，日本科学家也发射了一颗卫星，用来研究量子保密通信。由于他们的对准精度不够，为了收到信号，一个光脉冲不得不包含一亿个光子，所以这颗卫星没有实现量子保密通信，只是验证了一些相关的技术。对此事的详细分析，可以参见我的文章《日本真的成功进行超小型卫星量子通信实验了吗？》（https://mp.weixin.qq.com/s/h0X0Tz6Ijw-eWaxqi9q2cg）。这件事从反面表现出，探测技术的进步有多么重要。

实际上，科学界在直接探测到引力波之前，就普遍相信引力波的存在，因为它早就被间接探测到了。1993年的诺贝尔物理学奖，授予了拉塞尔·赫尔斯（Russell A. Hulse）和小约瑟夫·泰勒（Joseph H. Taylor Jr.），原因是他们在1974年发现了一种新的脉冲星，这就是引力波的间接证据。

拉塞尔·赫尔斯和小约瑟夫·泰勒

请注意，这两人的成果不是发现脉冲星，而是发现一种新的脉冲星。脉冲星是一种发出周期性电磁脉冲的天体。由于它的周期很准，最初人们把这种脉冲当作外星人发来的信号，甚至还为外星人起了个名字“小绿人”。

小绿人

发现脉冲星的，是剑桥大学教授安东尼·休伊什（Antony Hewish）和他的学生乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell），时间是1967年。1974年，安东尼·休伊什获得了诺贝尔物理学奖。很遗憾，乔瑟琳·贝尔没有获奖。诺贝尔奖委员会可能压根没注意到她的存在。这是诺贝尔奖历史上一个重大的缺憾。

拉塞尔·赫尔斯和小约瑟夫·泰勒的新发现是，有一个脉冲星的周期在逐渐伸长，说明它的能量在逐渐损失。两人对此的解释是，这个体系其实是两颗相互围绕旋转的脉冲星，它们在通过引力波放出能量。观测到的能量损失的速度，跟理论预测的完全相符，所以大家都公认这是引力波存在的强有力证据，不过毕竟是间接证据。所以LIGO的成果，是第一次发现引力波存在的直接证据，是个“实锤”。

引力波存在的间接证据。右图中的各个点是能量损失的观测数据，曲线是理论预测，两者吻合的程度惊人

引力波的传播速度跟电磁波一样，都是光速。但引力波有一个特点跟电磁波非常不同，就是它很难被吸收，也就是说很不容易衰减。在这个意义上，引力波可以传遍整个宇宙。量子通讯速度我们甚至有望听到“原初引力波”，它是138亿年前作为宇宙开端的大爆炸的余响。

电磁波与引力波的对比

因此，引力波是一种全新的探测工具，通过它，我们可以对许多以前无法观察的现象获得了解。这可能给我们对宇宙的认识，带来一场革命。未来15年，多个领域的引力波探测窗口将一个个打开，我们将迎来一个引力波科学的黄金时代！