从“看见”引力波的“眼睛”，到民间科学家
2016/2/22 中科院之声

     情人节前三天，美国科学家宣布发现“引力波”。不管你有没有这方面的知识，过去的几天里一定被大众媒体对于这一重磅消息的报道所淹没。

     人类耗资甚巨，付出了数十年的艰苦努力，才最终捕捉到这种神秘的时空涟漪，其科学意义早被媒体解读过无数遍。而从一个科研工作者的角度，我觉得更有趣的是它背后的那个武器——那个帮助我们“看到”引力波的“眼睛”——这是一种光学仪器，干涉仪。

     只要在修过《大学物理》的人，都应该知道光学里干涉仪的概念。它的原理很容易理解，一束激光(电磁波)被分光镜(beamsplitter)分成两条相互垂直的光束。两束光分别沿不同的方向继续向前传播，被各自光路中的镜子(mirror)反射之后，又叠加在一起。激光的一大特性是在时间、空间高度的相干性。因此两束波动叠在一起是，会因为微小相位的差异而产生建设性(constructive)，或者摧毁性(destructive)的相互作用，从而产生有规律的干涉图样。什么是建设性的叠加，想象两个波长一样，相位相同的正弦波叠在一起，会让波峰幅度跟大，波谷更深；相反的情况，一个波的波峰对应了另一个的波谷，自然就会相互抵消，形成 destructive 的叠加。当两束光从分光器到达镜子的路程一样长，且传播介质相同、条件一样时，形成的干涉是建设性的；而如果两条光路中的一条某些条件发生了变化，就会形成该光路中光束的相位发生变化，干涉条纹也就发生变化。下图即为探测引力波的干涉仪的简化原理图。图1为没有任何扰动的情况；图2中，引力波(以黄色表示出)，会引起平行的光束传播路径发生变化，而引起干涉图样的变化。

    

     探测引力波所用干涉仪原理简图

     wikipedia

     如果你见过任何一本教科书里干涉仪的图片，会觉得与上面的图没有什么差异，非常相似。甚至你也许跃跃欲试，想着自己买两个镜子或许可以搭建一台，探测引力波。是的，原理很简单，但是实现起来，谈何容易。

     根据简单的理论推导可知，光路越长，越有利于检测，因此科学家们实际使用的LIGO干涉仪的两条光路长为4KM，直径1.2米；内部被抽成真空(10^-12)。引力波的振幅极低，为10^-21数量级，它引起的光路长度变化仅为约4x10^-18米。科学家们让光在光路里往返很多次，将“有效”的光路延长。而即使来回往返50次，即有效路程延长100倍，也仅仅将这个数字提高100倍，达到4x10^-16米。我们人类的头发直径约为10^-4米，这个数字有多小，读者可以有个感性的认识。

     这样的设备建造了两个。相距3000公里，因为要同时观测到，才能证明数据的有效性。科学家们要测量到的波动(即前述的波动幅度)，数量级上比比原子核还要小10000倍。是迄今为止人类测量到的最小的量，也就是说，目前的LIGO探测器，是人类历史上最敏感的仪器。

     即便是这个设施运转正常，要从得到的大量的数据中捕捉到引力波，也是个艰苦的工程。仪器所在的环境中充满了各种噪声。因此还需要不少的辅助仪器来排除偶然噪声事件。这些辅助仪器又包括麦克风、地震仪、磁场计等等。

     去参加光学国际会议，大家聊起来探测引力波的装置，都惊叹于工程技术，把这种最基本的光学仪器推到了极致。正如加州理工的LIGO项目网站上说的那样：LIGOexemplifies extreme engineering and technology——LIGO项目是一个把工程和技术推向极致的典范。当然，这背后必然是大量的科研人员及其复杂的分工合作。刚刚发表的描述引力波探测的科研论文有近1000位作者。而这一重大成果，也正是这1000名研究人员辛勤工作的结果：实验装置的设计、建造，实验数据的处理分析，每一个环节都需要优秀的研究者。

     这是一个典型的原理简单，实现起来却异常困难的工作。

     其实这个消息让我想起了这些年接触的一些民间科学家。我这里指的并非广义的“民科”：比如那些不依靠主流研究经费支持、游离于体制之外进行独立但正常的研究的科学工作者；我是指并未接受过科学研究的训练，而又极其热衷于“研究”，经常把复杂的科学问题形而上、想当然地认为非常容易解决的一部分科学爱好者。想到这个群体是因为这些朋友有个共同点，往往看到了某种看似简单地科学原理，就想当然地认为自己理解透彻，并且跃跃欲试想要进行“研究”。

     大约十年前的一个盛夏，在某个展会上，一位老者手拿一叠文件匆匆赶来。我刚好在就读的高校展台前做志愿者，老先生擦擦汗，跟我打招呼。介绍说他自己从事独立的研究工作，有个好项目，想找一些大学生一起做。我当时从未见过民科，觉得好奇，就问是什么项目。老先生从厚厚的文件里抽出一份给我，说：“年轻人，你看看，重大项目!”我拿过文件，题目就是《二十一世纪重大科研项目》。简单的浏览量一下，炎炎夏日，我竟吓出一身冷汗：原来他要做宇宙飞船。文件里描述了他的宏伟构想。稍有科学常识的人都知道航天器的复杂程度，从材料、化学、物理，到数学、电子、通讯、控制，几乎牵扯所有理工学科。载人航天器据说有数百万部件。即使倾举国之力，世界上也仅有寥寥几个掌握成熟的航天技术的国家，老先生居然要自己拉一个队伍做宇宙飞船!和他闲聊几句，发现原来他对航天器的认识与大明王朝的探月先行者万户相仿。

     后来出国读书工作，又陆续接触了一些主动联系我的民间科学家。所研究的课题从物理、数学到医学，繁杂得很。他们多半是把自己的“论文”发来请我评价。遇到这种情况，我则一律婉拒。一来，这都不是我的专业；二来，我确实不知道如何应对，即使是一望便知的自顾自话，我也不忍心伤害别人的感受。

     想要从事研究工作，须接受专门的训练。这并不是用门槛把普通人拒之门外。获取知识、钻研学问是每个人应有的权利。而实在是因为研究工作和所有的职业一样自己的规律、方法和规则。道理很简单——与之类似，你生病之后是否会选择向一个没有经过医学训练的人求助？假若你是企业家，又是否会把自己企业的财务大权交由一个没有会计资质、仅凭直觉决定收支的人处理？

     总结起来，这些热衷科学的民间科学家朋友有不少共同点：

     不懂得科学发现成为共识、并作为人类知识的一部分的一般规律。拿随着引力波探测的报道，又开始质疑相对论的民间科学家来说，显然他们不懂得科学发现是如何发表、被同行评议，被同行接受，理论又是如何在实践中得到检验的。如何毓琦教授的文章所说，假若相对论是个骗局，在一个世纪的时间里，有那么多科学家都是同谋，这骗局实在是太高明了些。

     不具备从事科学研究所需的基础知识。我国民间有许多热衷于建造山寨飞机、潜艇，还有前述的宇宙飞船等等各种宏大项目的爱好者。这些事物我们虽然都知道，甚至如飞机还常常坐，但它们简单的外表后面却是人类数十年上百年的研究、工程经验的积累。抛开专业知识就动手搭建，结果可想而知。而这些“爱好”，往往耗资不菲，还伴有危险。散尽家财也就算了——千金散去还会复来——但读到有人驾驶自己制作的飞机坠亡，真是觉得可惜。

     不具备科学研究所需要的必备技能。且不说各个学科里各自所需的诸如实验技能，单单是从事研究工作最基本的逻辑、思辨、质疑的思维，就不是每个人都有的。即使高明的科学家，也会犯错，又何况是没有经过训练的普通人？科学家的论文、著作，不能说“句句有来历,字字有出典”，也须严谨异常。一组数据，能得出一条还是两条结论？一个现象，究竟是哪个机理在起作用？科学家每天的工作，就是不断地质疑，与误导、思维定势、惯性思维作斗争。与日常生活里恰恰相反，优秀的科学家，每天做得最多的，是审视自己的判断，自己的结论是否站得住脚，而不是肆意无理的批评别人。

     一个严谨的科学家会用理性的思维就某一个观点(argument)做出严谨的分析，进行判断。所谓大胆的建设，小心地求证。比如，何教授会专门成文，回应读者的留言里缺乏起码尊重的、毫不客气的无端质疑。文章也有理有据。而这恰恰是无理地批评者所不具备的。

     来源：邵鹏科学网博客

     作者邵鹏，工作于哈佛大学

    

    

    http://weixin.100md.com
返回 中科院之声 返回首页 返回百拇医药