LIGO 团队里的中国人
今年的诺贝尔物理学奖刚刚揭晓了，这次算是一次最没有悬念的物理学奖，因为连我都在一年前预测了这次的奖项应该是颁给引力波的发现团队，按照诺奖的惯例，这几乎是可以肯定的。果然，2017 的诺奖颁给了 LIGO 团队的三位最重要的科学家。其他两位我不太熟悉，但基普·索恩我是很熟悉的，因为《星际穿越》这部电影几乎就是他编的。如果大家看过同名的科普书《星际穿越》，就知道他不仅仅是这部电影的科学顾问，而且是这部片子的最初推动者，第一编剧。索恩研究了一辈子的黑洞和引力波，能在有生之年不但看到自己的科学成就被搬上了大荧幕，还获得了诺贝尔奖，科学家的一生如此，夫复何求啊。
有听众问 LIGO 团队中有没有中国科学家啊？希望我能讲讲引力波。
您还别说，还真有一位中国科学家，我在 2 个月前还听过他的讲座。他就是基普·索恩的学生——陈雁北教授。
1999 年毕业于北京大学物理专业，2003 年在加州理工学院获得博士学位，当时的老板就是基普·索恩。2013 年升任为加州理工学院的教授。最重要的是，他是 LIGO 核心团队的成员，领导过 LIGO 里面好几个技术小组，也是那篇获得诺奖的引力波发现的论文署名作者之一。
陈教授讲座的前半部分是介绍引力波以及LIGO的基础知识。因为这两天诺奖的关系，引力波又成了热点，网上关于引力波科普的文章和节目非常多，关于引力波的基础知识我这里就不再赘述了。我觉得比较有意思的是我在讲座后问的两个问题。所以，今天的听众问答其实是陈教授答科学有故事问。
汪洁问：
听了您的演讲我觉得非常精彩。那么第一个问题是：我们能不能利用引力波来探测暗物质？第二个问题是：引力波能不能像电磁波一样运用到我们的生活中？比如利用引力波制造一个引力波原理的手机。它会不会有可能在理论上撞到不确定性原理的这堵墙，导致在理论上没有办法将引力波运用到日常生活的物件当中？谢谢您。
陈教授答：
我觉得是这样的，有人说用引力波探测器可以对暗物质进行探测，因为引力波探测器是很灵敏的仪器，那么暗物质可以跟引力波探测器产生引力相互作用。关于这个还有些文章说，如果暗物质有些成团的状况，当地球以一定速度穿过成团的暗物质分布的时候，引力波探测器上的镜子在引力波的作用下产生了位移，所以会有些信号。这是有人分析过的，但是这个非常依赖于暗物质的模型，就是暗物质本身在地球附近的分布。所以这是有可能的，但并不是很容易的。
还有就是暗物质本身的运动会不会产生引力波？像 LIGO 或者 LISA，它们的探测的频率是相当低的，比如 LISA 本身是 0.1 毫赫兹，就是说可探测对象必须是一千秒震荡一次的。那么暗物质如果要产生这种引力波，得是比较致密的，而且还得是在这个频率上震荡。但暗物质很可能不会在这个频率上震荡的这么厉害。所以虽然理论上有可能，但可能性并不大。所以总的来说，在某些方面上，引力波探测器可能对暗物质的直接探测产生一些帮助，但是我觉得这个希望不是很大。
汪洁问：
比如说未来我们造一个巨大的引力波发射天线，然后朝一团暗物质云发射，然后引力波反射回来，进而产生相互作用，探测到这个暗物质。这种科幻在理论上有没有可能？
陈教授答：
让引力波天线产生引力波也是个问题。因为引力波需要有质量的物体进行高加速度的震动才会产生引力波。在地面上你要产生一个能被自己探测到的引力波是很难的。有很多人想过，用多大多重的物体、多大的频率震动产生引力波，并且还能用一个很精密的仪器给它测到，这个是非常非常难的，我觉得这个东西再过 1000 年可能可以做到。
如果我在这发射引力波，然后在那边要接收引力波。这个东西有人算过，如果花很多钱，好多好多物质一块动啊动，原则上是可以的。原则上讲，高频率的物体的震动，产生的这种高频引力波，用非常精密的微波仪器原则上是可以测到的，但现在的仪器灵敏度可能还差一千倍。再过 1000 年是有可能探测的。但是如果你想要这个东西在遇到暗物质后被反射回来，那就很难了。
先说为什么电磁波会反射呢？因为电磁波先传播到物体上，它激发了电荷的运动，电荷的运动会产生两个波，第一个波把原来的波消掉了，第二波产生一个往回传。所以说反射是一个需要非常非常强相互作用的一个过程。你的这个物体必须在原来的波的作用下产生运动，还能再产生一个跟原来一样强，但是符号相反的波。这对于引力波来说是不可想象的，因为特别特别强的引力波产生的物体的长度变化是 10 ^-18 米，然后再产生回传的引力波就太弱太弱了。所以任何依赖于引力波跟物质相互反射什么的，很难。但是产生引力波又接收引力波，我觉得原则上讲是可能的，在科幻中还是有可能的。
汪洁问：
千年以后的未来，有没有可能把引力波应用到比如说我们的手机或者互联网上？它会不会撞上“不确定性原理”这堵墙呢？
陈教授答：
对。我觉得应用到手机或互联网上很难，因为日常生活对携带东西的重量和体积都有限制，而且对检测到的要求非常高。但是比如军事应用什么的，那是有可能的。但因为有各种各样别的方法来进行保密通信什么的，所以在军事上它也未必是一个性价比合适的一个方式。
汪：好，谢谢陈教授。
我解释一下刚才在提问中提到的“会不会撞上不确定性原理那堵墙”。比如说，在遥远的未来，为了能够把微弱的引力波应用到日程生活中，那么就要求我们能够造出极为灵敏的接收仪器，越灵敏的仪器就要求基本的零件越小。请大家注意，根据海森堡的不确定性原理，物体的不确定性和它的质量与体积成反比，那么当物体小到一定程度，它自己本身的位置的不确定性就会大于探测目标对自己造成的位移，在这种情况下，那当然就失效了。换句话说，一个仪器所能探测到的引力波大小的极限就是自身的不确定性，超过这个极限就在理论上不可能了。这就是我所说的那堵墙。
央视对陈雁北教授的专访视频地址：
https://www.youtube.com/watch?v=_CE6nT1ohUg
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