專訪Rana Adhikari：開啟「引力感」之旅
引力波是什麼？作為天文科研的巨大突破，探測引力波的關鍵科技是什麼？引力波發現的最大困難是什麼？引力波的發現對人類有何意義？引力波探究的未來發展方向是什麼？
Rana Adhikari，加州理工學院教授，LIGO科學項目組成員，致力於引力波探測研究20年，是為數不多的通曉LIGO裝置的專家之一。其主要研究領域是超越基礎物理學極限的精確測量，以期獲得在引力及量子力學方向的突破。
本文根據2016年10月28日採訪節選、整理而成。
採訪、編譯
李穎（清華大學）
問：引力波是個抽象概念，您能否用幾句話介紹引力波？
答：你可以把自己想像成一條魚。現在有兩條魚，分別叫做「科學家魚」和「音樂家魚」。這兩條魚在對話：「科學家魚」說「我發現了水。」 「音樂家魚」問「什麼是水？你所說的『水』是什麼？」水對其而言無法理解，因為全宇宙充滿了水，而且從古至今都如此。正如我們看著空蕩蕩的空間，聊著空空如也的空間，你可以問我「你所說的空間在哪裡？這裡是空的，空無一物。但是「科學家魚」知道水是存在的，只是「音樂家魚」無法理解罷了。
我們可以研究水的運動方式。如果海的另一邊發生震動，像一條巨大的魚在晃動，那麼我們可以探測這種波動。有人說「你在說什麼？這並沒什麼大不了。這種晃動微不足道。」但是「科學家魚」說「不，這非常重要。因為我們可以了解整個大海：哪裡有食物，哪個區域溫暖，哪個區域寒冷，人類從哪裡出現。我們可以通過水中的波動研究整個海洋。」
雙黑洞產生的時空漣漪「引力波」示意圖
魚類能感知的「宇宙」其實非常狹小，而我們的宇宙浩渺無邊，因為我們是比魚更高級的物種。我們利用引力波繪製天空的圖像，從而看到威力巨大的引力能源的來源及構成。一位聽力衰竭的耄耋老人基本聽不到任何聲音，但是如果聲音足夠大，老人就可以隱約聽到，這就像是我們和引力波的關係。目前我們對引力波的敏感度很差，只是剛開始聽到而已。就好比，即使用手遮住雙眼，我們仍然可以看到一些光束，因為光可以穿過指縫。目前我們可以對宇宙略知一二，但是不夠透徹。
引力波很難想像。人類擁有聽力、視力、嗅覺、味覺，但是缺失引力感。所以引力波難以用文字描述，它是人類的一種新感知。
問：您何時決定研究引力波？為什麼選擇該領域？
答：我最近也在思考這個問題。我們都會回想：如果我當初選擇另一條路，現在的生活會怎樣？剛入大學時我最感興趣的是音樂，我本來可以選擇音樂，那麼現在我可能是個音樂家。我會彈彈吉他，加入搖滾樂隊。但是世界上想要成為著名音樂家的人要比立志成為著名物理學家的人多得多，所以比起音樂界，物理界的競爭小得多。
我最近才領悟到大約自三歲起我就一直在為實驗物理學做準備。三歲時，我的母親開始教我數學。在美國滿四歲或五歲才可以入學，我母親在我三歲時決定讓我開始學習，於是她教授我簡單的數學。因此，五歲時我的數學水平比其他在校同齡人高一截。我的父親在我五歲時開始教我修理家裡的所有家當。早期接受數學教育及家庭修理經歷（比如修理汽車、咖啡機、電視、電子遊戲機）為我的實驗物理學打下了堅實的基礎。因此在初入大學時，我幾乎沒有選擇：我的音樂技巧只是三腳貓功夫，但是我的一生都在為實驗物理學做準備。
問：既然我們無法看到、感知引力波，那麼或許通過科技我們可以探測到引力波。請問第一代引力波直接觀測器的關鍵科技是什麼？
答：海里的鯨魚一直在對話，但是我們無法聽到它們的聲音，因為它們說話的頻率與人類不同。但是如果我們利用一種特殊的科技，即使聽不懂鯨魚在講什麼，至少我們可以聽到它們的對話。現在我們已經擁有錄製鯨魚音樂的技術。新型引力波探測器與此類似，能夠記錄宇宙中的引力信號。所以我們接收信號，並將信號轉化為可以在手機上聽取的音頻。只要宇宙中有動靜，我們就可以將信號記錄在手機上，像聽音樂一樣聆聽。
Rana Adhikari教授正在做引力波探測實驗（圖片由Rana Adhikari教授提供）
我們使用的技術是激光干涉技術。該項技術由來已久，但是近百年來我們一直在進行優化。百年前，人類就曾利用光干涉開展各種物理實驗，但是古人使用的是燭光、陽光或其他類似的光。有時如果水面有層油，你會看到水面色彩斑斕，呈現不同的形狀，那就是光干涉，光在油的內部製造一些波紋。而在當代我們使用的是激光，激光如同陽光，但是它只有一種顏色，而陽光是五顏六色的，因此激光更純粹。通過一個巨大的激光測量系統我們可以測量干涉，從而研究宇宙的伸展程度。
日常生活中一些兒童玩吹泡機，肥皂泡滿天飛。如果你仔細觀察肥皂泡的邊緣，會發現那裡色彩斑斕。那是因為陽光進入肥皂泡，並在泡內翩翩起舞，就如同油表層的景象，光在四處活動。這就是「干涉」。如果肥皂泡晃動，那麼色彩也會產生變化。你看到的變化色彩的「干涉圖」傳遞出肥皂變化程度的信息。這就是我們所使用的技術。
問：在探索引力波的過程中，您認為您遇到的最大困難是什麼？
答：人。自然界非常簡單，一目了然。人是科學中最大的難題，因為人是不可預知的。比如說你有數百人的大團隊，每個人必須團結協作才能獲得發現。但是怎樣協調各方？假如每個人各司其職，那麼引力波早就發現了。但是人是有情緒的，比如開心、悲傷，比如周末怎樣過？午餐吃什麼？你想告訴他們：保持安靜，做好本職工作。這樣所有人就會目標一致，共同努力，團結一致的力量要強大得多。但是事實並非如此：每個人有各自的努力方向，大概有百分之十的方向是正確的，百分之九十則是亂成一團麻。因此人是個大難題，機器反而容易操作。當我們對同一個問題有同樣濃厚的興趣時我們的力量非常強大。有時三到四個人一起工作，對下一步操作有同樣的靈感，所有人產生同樣的想法，不再提出異議，工作的進展非常迅速。取得如此快速進展正是因為所有人為同一想法而激動不已。這種時刻讓人難以置信，但是大多時候進展不像這樣順利。
Rana Adhikari教授及其實驗組部分成員（圖片由Rana Adhikari教授提供）
問：您認為繼發現引力波後，引力波領域下一重大發現會是什麼？
答：我認為未來幾年可能探測到更多我們已發現的由雙黑洞併合產生的引力波。我們會進一步優化探測器，從更多黑洞中發現更多信號。
我經常讓自己從非科學家的角度思考這類問題。換個角度而言，我不喜歡別人浪費我的資金，目前一些國家就在把錢拋向無底洞。所以我在思考，既然我們已經發現了引力波，為什麼我們需要發現更多引力波呢？我已經有一個或兩個，給我十個或二十個有什麼用處？
我們探測引力波並不是想表明我們發現引力波，而是希望通過這些信號研究宇宙如何運行。這是一種全新的信息。在首次使用手機時，人類只是用手機相互打招呼，但是現在我們使用手機持續通話，這非常實用。引力波告訴我們宇宙運行的情況，如果我們接收到十次引力波，那麼我們對宇宙的了解就會增強十倍。通過聽取引力波、將探測儀改進得越來越敏感，我們會發現宇宙運行的細節，而微觀的細節可以幫助我們了解宏觀的宇宙。
問：您為什麼認為引力波的發現對人類意義重大？
答：這個問題很難回答。也許引力波的發現最終對人類毫無裨益，這些我們尚且未知。但是通過了解宇宙中發生的事情，我們可以了解宇宙的初始狀態。我們使用各種各樣的望遠鏡研究宇宙的溫度，宇宙的亮度，宇宙中有多少行星。你可能會問「這有什麼用呢？我們為什麼在夜晚仰望星空？人類仰望星星有什麼重要意義？」我會說：我們仰望星星，人類看到希望。引力是仰望星星的另一種方式，只是它與人類所使用的望遠鏡大不相同。但是可以預見的是，使用引力描繪的宇宙圖像將會徹底顛覆我們對宇宙的認知。
技術人員正在測試LIGO懸掛的鏡子（圖片由Rana Adhikari教授提供）
問：下一代引力波探測器的關鍵技術是什麼？
答：對這一問題我們內部有不少爭論，這不是一件壞事情。關於新一代探測器每個人都有不錯的想法，而且每個人的想法不盡相同。所以我們聚在一起探討會發生爭論。
問：那麼您認為新一代探測器應該具備怎樣的主要特徵？
答：第一個主要特徵是體積龐大，比以往的探測器都要大。引力波來臨時就是在拉伸地球。如果探測器長度一米，那麼它無法找到信號。如果長一千米，它很難測量引力波。如果長一萬米或十萬米，那麼它的測量範圍會更廣。因此如果一個國家有足夠的空間，那麼它的巨型探測儀可以成為世界的主導。這需要一定的資金，但是其實不難，因為只是在重複測量，而且我們可以做得更好。
引力波探測儀有兩個主要問題：其一是儀器鏡在系統中移動過多，導致儀器過度震動。其二是如何使用激光測量震動。
聲光調製器（Acousto-optic modulator），引力波探測研究的主要光學零件之一，用於穩定激光器。（圖片由Rana Adhikari教授提供）
最近陳雁北（同樣任教於加州理工學院）和我在思考第二個問題，也就是使用激光測量的用處及極限。通常人們會從量子力學出發，認為激光測量最後會達到一個量子極限：因為世界並不是連續的，我們看到的光其實是量子化的；通過快速儀器我們會發現激光束其實是由一個一個的光子產生的。但是我們最近發現這個極限並非真正的極限。具體細節非常複雜，但是我想說的是如果我們對量子物理及使用的儀器足夠了解，那麼我們能夠超越我們曾認為的量子物理學中的極限，也就是說，我們曾認為一個大探測儀或小探測儀的極限與人類科技能夠達到的極限極其接近。但是，現在我們認為，通過更深入地了解激光物理及量子物理，我們能夠將探測儀變得比現在敏感得多，從而發現宇宙中所有的引力波。這也就意味著我們可以測量到初始宇宙。宇宙初始之時應該會發出聲音，而這種聲音最初主要是引力。聲音產生的震動應該仍然在宇宙中回蕩。我們想要聽到震動的聲音，從而發現宇宙初始是何種聲音。
問：既然當今世界已建造了許多探測設備，您認為其他國家，如中國，有必要再建造嗎？
答：這隻與好奇心有關，無關乎必要性。我會說如果中國進軍引力波探究領域，那麼現在是個有趣的時機，因為中國可能會成為該領域的領頭羊。主要是因為以下幾個原因：現在我們對技術更加了解；目前世界上的探測器是基於十年甚至十五年前的認知，而我們的新認知有了大大的提升。如果現在建造新的探測儀，那麼將會與十年前的設計大大不同。而且我們有了建造大型探測儀的想法。因此在中國只要探測儀足夠龐大，再加上一兩項新技術，那麼將會比目前這一代探測儀敏感十倍。十倍意味著探測器的探測距離遠十倍。這十倍只是距離範圍的增大，但你得計算相應體積的增大和源數目的增加。其實如果探測儀能夠變得這麼敏感，那麼中國的探測儀每天探測到的信號數目比其他探測儀會多1000倍。這個數值非常大！
這意味著其他探測儀可能每天發現十個信號，但是中國的探測儀會記錄一萬個引力波信號。接收到少數信號與大量信號的作用大相徑庭。正如我們在一個房間聊天，通過說話的聲音可以判斷房間很小。因為你可以聽到從牆上返回的聲音。同樣地，引力波就像是宇宙中某種噪音。當信號傳遞到我們時，我們可以了解房間的形狀，這裡的房間就是整個宇宙。我們對宇宙有一些疑問：宇宙有多大？宇宙過去有多大？宇宙什麼時候很小，什麼時候變大？ 我們認為世界是三維的：上、下、左、右。或許過去宇宙是另一種形狀，以前的宇宙更扁平，後來擴大。或許宇宙在初始時，是更多維度而不是三維，可能是四維。我們幾乎無法想像四維意味著什麼。這對中國而言是個機會，能夠發現其他宇宙、其他維度。取得幾何學及宇宙歷史的新發現將會是科研界最大的成就。
我想還有更深層的意義，對我們來說為何愛因斯坦的引力理論是真理仍是個謎。愛因斯坦的理論很不錯，聽起來似乎是正確的。但是我們不知道為什麼是正確的。宇宙是否是另一種形態？或許如果引力波確實精準，我們會發現愛因斯坦的理論需要修正。然後一百年後又誕生一個新的引力理論，出現另一個愛因斯坦。
問：諾貝爾獎公布之前許多人猜測LIGO團隊會獲得諾貝爾獎，您怎樣認為？您是否想過贏得諾貝爾獎？
答：不，我不願獲諾貝爾獎。因為我喜歡我從事的工作。如果一個人獲得諾貝爾獎，他就不能在球場踢球（從事一線工作）了。榮獲諾貝爾獎的人將會被請出「球場」，成為球隊老闆或者教練。但是我仍然喜歡踢球。
我們已經取得了科學發現，這非常棒。還有什麼更大的獎勵呢？諾貝爾獎只不過是一些錢、一個金牌。但是這些遠遠不能與科研發現的樂趣相提並論。現在我們有了發現，知道下一步應該做什麼，而且未來的新發現將會更多。
我認為諾貝爾獎是一個偉大的獎項。一些人獲諾貝爾獎，其餘的人則繼續進行扣人心弦的冒險。我認為獲得諾貝爾獎是一份殊榮，優秀的人應該獲諾貝爾獎。但是我已經獲得了不少獎項，能夠與這些偉大的科學家共事本身就是一份殊榮，而且樂趣無窮。
問：我想您已經見過一些中國學生，您認為他們的優勢和劣勢分別是什麼？
答：這個問題很微妙，我不想說這裡的學生的壞話。我已經與中國的學生共事過很長一段時間，因為在加州理工學院有不少學生來自於清華、北大。我覺得他們的能力不錯，數學基礎非常紮實，但是總體而言剛開始時他們的實驗基礎不夠紮實。但是一年半載後他們的能力大大提高。這與印度非常相似，印度的學生初來美國時，理論物理及數學基礎非常好，但是實驗方面較差。
圖為Rana Adhikari教授的三位學生及其實驗中使用的扳手。為確保高效高質工作，扳手的質量非常高，每個扳手價值50美元。（圖片由Rana Adhikari教授提供）
我認為這只是文化差異，在一些文化中如果常常用雙手勞動，比如修理物品導致雙手變髒，雙手勞動不被視為高等工作，而是二等甚至三等工作。實驗物理既包含數學、課堂學習，也包含雙手勞動。擅長實驗物理的人熱愛用雙手工作。不僅僅是在中國或印度，在許多國家，從事弄髒雙手或類似工作的人不被視為精英人士。但是實驗經歷是必須的――當天文儀器發生故障時實驗人員能夠修理似乎是常理。正如家裡的咖啡機壞了，必須要人修理。我不想等待，我現在就需要使用，所以我來修理。
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