編者按：
　　1916年，愛因斯坦預(yù)言引力波，并提出量子電磁輻射理論、完善光子概念。
　　百年之后，愛因斯坦預(yù)言的引力波通過激光的干涉被探測到，而激光正是基于量子電磁輻射理論。LIGO的技術(shù)還與愛因斯坦的光子概念和布朗運動理論相關(guān)。
　　LIGO探測到引力波是對愛因斯坦兩方面工作共同的一百周年紀念， 一方面是廣義相對論和引力波，另一方面是量子電磁輻射理論。這是屬于愛因斯坦的獨特的幸運。
　　1引言
　　2015年9月14日，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到來自13億光年外的兩個黑洞并合所產(chǎn)生的引力波。論文于2016年2月12日發(fā)表 [1,2]。而在100年前，1915年的11月，愛因斯坦完成了廣義相對論的創(chuàng)立, 并算出太陽附近光線偏折和水星進動的正確結(jié)果 [3,4]； 半年之后，1916年6月，愛因斯坦預(yù)言了引力波 [5]。
　　有趣的是，在LIGO探測引力波的技術(shù)中，激光以及愛因斯坦1905年首先在理論上發(fā)現(xiàn)的光子扮演了重要的角色，而激光的理論基礎(chǔ)和光子概念的完善正是愛因斯坦1916年提出的量子電磁輻射理論。另外，LIGO的探測技術(shù)也涉及愛因斯坦的布朗運動理論。

愛因斯坦在柏林的書房，1916年。

    更有趣的是，愛因斯坦的量子電磁輻射理論的建立正好緊接著引力波的工作。
　　這些偉大工作的過程是什么樣的？它們是如何發(fā)生的？它們的發(fā)生有沒有關(guān)聯(lián)？在這篇文章中，筆者在梳理LIGO技術(shù)中的“愛因斯坦元素”后，試圖勾勒出愛因斯坦當時在引力和量子論兩方面的工作情況。
　　2引力波探測技術(shù)中的“愛因斯坦元素”
　　2.1 激光與光子
　　根據(jù)LIGO官網(wǎng)的介紹 [6]，LIGO目前在美國有兩個相距3002公里的探測器，而每個探測器是一個巨大的邁克爾孫干涉儀（Michelson Interferometer），有兩條4公里長、相互垂直的長臂。在干涉儀中，一束激光被分成兩束，分別在兩臂中傳播，最后再重新匯聚，從而發(fā)生干涉，干涉的情況取決于兩臂的長度之差。引力波是時空度規(guī)的擾動，是橫波（傳播方向垂直于振動平面），當它通過引力波探測器時，引起這兩臂長度的不同改變，而光速保持不變，因此導致干涉信號的改變。LIGO測量兩臂長度的改變，從而探測引力波。而兩個探測器協(xié)同工作，可以排除單個探測器附近其它因素導致的長度改變。在排除掉其它原因后，通過與理論計算結(jié)果的比較，就可以把兩臂長度變化歸因于引力波。
　　兩束相同頻率的單色光發(fā)生干涉，總強度取決于二者的相位差。假設(shè)這兩束光從同一初始位置出發(fā)，經(jīng)過不同的路徑花費不同的時間，最后到達同一位置。它們的相位差就等于兩者經(jīng)歷的時間差乘以頻率，再乘以2π。時間差就是距離差除以光速，頻率是周期的倒數(shù)，光速乘以周期（即光速除以頻率）就是波長。因此相位差也等于距離差除以這兩束光的波長，再乘以2π。光的波長和周期都很短，所以干涉儀可以測量很小的距離差或時間差。1880年代，美國物理學家邁克爾孫設(shè)計出以他名字命名的干涉儀，在兩條互相垂直、長度相等的路徑末端放置反射鏡，使得兩束光匯聚到起始的分光鏡。 他用它來測量光波的媒介（以太）相對于地球的速度。如果存在以太，因為地球在運動，那么對于不同方向的相同距離，光傳播的時間就會不同，從而導致相位差。 1887年，邁克爾孫和莫雷( E. W. Morley) 確定了地球相對于以太的速度為零。荷蘭物理學家洛倫茲 （H. A. Lorentz）曾用同一坐標系中長度的物理變化來解釋這個零結(jié)果。而作為相對論的另一位先驅(qū)，法國數(shù)學家兼物理學家龐加萊（H. Poincare）注意到不同地點的同時性概念存在問題。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，以光速不變原理和相對性原理取代了以太假說，即以太不存在，光的傳播不需要媒介。
　　現(xiàn)代的邁克爾孫干涉儀當然要用激光，因為它具有高度的空間相干和時間相干，在空間上和頻率上都很集中。以激光為基礎(chǔ)的邁克爾孫—莫雷實驗的精度達到10-15[7]，而LIGO能夠測量到10-19米的長度變化（這次引力波事件導致4x10-18米的變化[1])，這對探測到引力波起到了關(guān)鍵作用。
　　激光的英文laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫，意思是受激輻射引起的光放大。這里的輻射是指量子電磁輻射，光是指可見光，是某個頻率段的電磁波。激光于1960年發(fā)明，它的基礎(chǔ)就是愛因斯坦的量子電磁輻射理論中首次提出的受激輻射。愛因斯坦指出，電子在電磁場中存在吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種過程，他通過考慮它們的平衡，給出了普朗克輻射公式的新推導。在激光器中，增益介質(zhì)中的電子在入射光中被激發(fā)到高能態(tài)，導致高能態(tài)的電子多于低能態(tài)的電子，即所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。高能態(tài)電子回落到低能態(tài)時，又輻射出電磁波，這就是愛因斯坦首先指出的受激輻射，也是激光全稱中“放大（amplified）”一詞的由來。受激輻射發(fā)出的光的頻率、相位和偏振都是一致的，從而具有高度相干性。
　　LIGO的光學系統(tǒng)由激光、鏡子和光探測器組成，其穩(wěn)定性由抗干擾的衰減系統(tǒng)和超真空（真空度僅次于大型強子對撞機，LHC）保證。從激光二極管產(chǎn)生的4瓦、波長808納米的激光進入到一個被稱作非平面圈振蕩器的晶體激光裝置，產(chǎn)生2瓦、波長1064納米的受激輻射，然后它再進入另一個放大裝置，變成20瓦、波長1064納米的激光。據(jù)稱在這個波段，這是世界上最穩(wěn)定的激光 [6]。然后借助于在分束器前面的若干“能量循環(huán)”（power recycling）半透鏡, 將激光的功率提高到700瓦后進入分束器 [1]。
　　入射激光被分束器分到相互垂直的兩臂。每個臂都在一個法布里—珀羅（Fabry-Pero）腔里，借助于兩端的鏡子使得激光在里面來回反射很多次，光路從單程4公里放大到約等于引力波的波長的四分之一，從而使得測量效果最佳。對于100赫茲的引力波來說，這個長度是750公里。光程越長，對儀器的振動也越敏感。因為每束光要被鏡子發(fā)射很多次，所以為了光路的精確，鏡面的制作被控制到原子量級。同時，在法布里—珀羅腔里，激光功率放大到100千瓦（將來可以達到750千瓦） [1]，從而使參與探測的光子大大增加，降低噪聲并提高靈敏度。
　　鏡子會吸收光，而LIGO的鏡子（又稱測試質(zhì)量,test mass）由氫氧化物含量低的超純度的石英玻璃制成。每330萬個入射光子中，只有一個光子被吸收致熱。有一個輔助系統(tǒng)用二氧化碳激光加熱，精確抵消主激光導致的形變 [6]。
　　電磁場的真空漲落導致光子到達鏡子的時間和光子數(shù)目的漲落，說明光是由光子組成的。前者被稱作光子顆粒噪聲，與真空的相位漲落相關(guān)，頻率較高（200赫茲以上）, 是LIGO的高頻噪聲的主要來源，因此決定了LIGO測量微小距離的基本極限。后者與真空的振幅漲落相關(guān)，頻率較低，導致光對鏡子的輻射壓的漲落，從而又導致鏡子位置的漲落。它們統(tǒng)稱為量子噪聲。量子噪聲可以通過調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)（比如激光功率和鏡子的質(zhì)量）和空腔的參數(shù)來克服，也可以用處于壓縮態(tài)（振幅和相位的漲落的乘積達到海森堡不確定關(guān)系所允許的最小值）的激光來解決。所以引力波探測與量子測量這兩個領(lǐng)域有密切關(guān)系。比如，量子測量的專家布拉津斯基（V. Braginsky）和凱夫斯（C. Caves）原來都是從事引力波探測的。
　　而這些物理問題可以追溯到愛因斯坦1905年提出的光量子概念以及他1916年的量子電磁輻射理論。
　　2.2 熱噪聲
　　LIGO的光學系統(tǒng)非常敏感，因此需要克服非常小的干擾。為克服環(huán)境擾動，LIGO設(shè)置了一套有幾百個層次的復雜的反饋控制系統(tǒng)。首先是要克服鏡子內(nèi)部和周邊的原子的無規(guī)運動。每個鏡子（40公斤重）吊在一個360公斤的4極單擺中。懸掛系統(tǒng)由兩個鏈（主鏈和反應(yīng)鏈）組成。主鏈從上到下有4個質(zhì)量，上面兩個是鋼，下面兩個是石英玻璃。這個材料的力學損耗低。最下面的石英玻璃就是鏡子，尺寸34厘米x20厘米，由整體的石英玻璃纖維懸掛，以盡量降低熱噪聲。反應(yīng)鏈最下端的與測試質(zhì)量平行的是反應(yīng)質(zhì)量。干涉儀的每個臂兩端的鏡子之間的距離的穩(wěn)定（變化不超過10-12米）通過反應(yīng)質(zhì)量來保證。反應(yīng)質(zhì)量與測試質(zhì)量之間由磁體聯(lián)系。
　　防振的第一道防線是一個主動衰減隔離系統(tǒng)，通過位置和振動傳感器與永磁體調(diào)節(jié)器共同抵消外部運動。 這將系統(tǒng)與10赫茲以上的地面運動隔離3個數(shù)量級， 導致懸掛系統(tǒng)受到的振動干擾小于2x10-13米。上節(jié)所述的懸掛系統(tǒng)作為被動隔離系統(tǒng)，再繼續(xù)將噪音降低7個數(shù)量級，從而達到10-19 米的敏感度。

    頻率在10至100赫茲的熱噪聲也是主要噪聲之一，它來自鏡子與懸掛系統(tǒng)中經(jīng)典布朗運動，以及鏡子光學涂層的力學損耗 [1,6]。所以鏡子涂層所用的材料（硅和摻鈦的鉭氧化物的介電多層膜）既有高反射率，也盡量降低熱噪聲。
　　熱噪聲的物理學也可以追溯到愛因斯坦的奠基性工作，那是他1905年關(guān)于布朗運動的論文。在那篇論文里，愛因斯坦給出了流體中粒子的位置漲落與流體的粘滯之間的關(guān)系，即漲落與能量耗散的關(guān)系。耗散將運動轉(zhuǎn)化為熱。在LIGO中，能量耗散來自于懸掛鏡子的石英玻璃纖維以及鏡子的光學涂層。
　　LIGO設(shè)計如此精密，技術(shù)性的和非基本的噪聲已經(jīng)遠小于基本的量子噪聲和熱噪聲。而歷史上這兩種噪聲的物理本質(zhì)正是愛因斯坦首先揭示的。
　　3愛因斯坦的光量子假說
　　1905年是愛因斯坦的奇跡年，這一年他發(fā)表了5篇重要論文， 按照時間順序，分別是光量子假說、測量分子大小的方法、布朗運動、狹義相對論、相對論質(zhì)能關(guān)系。

在伯爾尼專利局，1905年

    在唯一被愛因斯坦本人稱作他的“革命性”文章中，他的光量子假說提出單頻率的電磁輻射由分立的光量子構(gòu)成，每個光量子的能量正比于頻率，正如普朗克1900年給出的能量—頻率關(guān)系。但是普朗克只是假設(shè)在振子產(chǎn)生電磁波的過程中，能量是一份一份的。1907年普朗克曾經(jīng)致信愛因斯坦：“我不在真空中，而只是在吸收和發(fā)射的地方尋求作用量量子的含義，我認為真空中的電磁波嚴格由麥克斯韋方程描述。”所以需要強調(diào)愛因斯坦對早期量子論的關(guān)鍵貢獻 [8]。 后來從美國化學家萊維斯（G. Lewis）1926年的一篇文章開始，光量子被簡稱為光子 [4]。
　　1906年愛因斯坦又從光量子假說推導出普朗克黑體輻射公式。1909年，通過黑體輻射能量漲落的研究，愛因斯坦提出，光量子可以看成“以光速運動的分立點”，“不能認為波和量子性不相容”[4]。 但是，至此愛因斯坦的光子說還不完備！愛因斯坦還沒有說明光量子有沒有動量。
　　1907到1911年是愛因斯坦的一段沉默期，但是他主要在思考量子問題。1911年5月他在給老朋友貝索(M. Besso)的信中寫道：“我不再問這些量子是否真實存在。也不再試圖構(gòu)造它們，因為我知道我的腦子不能夠這樣弄清它們�！盵4] 這時，他的精力轉(zhuǎn)移到廣義相對論。
　　4愛因斯坦1916年的廣義相對論工作
　　關(guān)于愛因斯坦1915年11月創(chuàng)立廣義相對論的緊張工作，以及他的很多幸運之處，可以參見筆者最近的一篇文章 [9]。
　　1916年3月，愛因斯坦完成了對于廣義相對論的一個綜述 [10]，文章最后討論了3個預(yù)言：引力紅移、光線彎曲、水星進動。
　　當時水星進動已有觀測數(shù)據(jù)。1915年11月11日與18日之間，愛因斯坦得到與觀測一致的水星進動計算結(jié)果。他因激動而心悸，而且“興奮激動了好幾天 ”[4]。 1915年12月9日在給德國物理學家索末菲（A. R. Sommerfeld）的信中寫道：“水星進動的結(jié)果給了我極大的滿足�！盵11] 1916年元旦在給洛倫茲的信中寫道：“好不容易獲得的清晰以及與水星進動的一致讓我比以前任何時候都高興�！盵11]
　　1919年光線彎曲被英國天文學家愛丁頓（A. Eddington）和克羅姆林（A. Crommelin）等人的觀測所證實。當時從洛倫茲的電報得知消息的愛因斯坦特地將這“快樂的新聞”發(fā)電報給病重住院的母親 [4]。
　　引力紅移直到1960年才由美國物理學家龐德（R. V. Pound）和雷布卡(G. A. Rebka)完成。 顯然，廣義相對論的驗證需要精密的技術(shù)，因此廣義相對論長期與現(xiàn)象脫節(jié)，直到上世紀后半葉天體物理大發(fā)展之后。間接證明引力波存在的脈沖雙星是1974年發(fā)現(xiàn)的。而在這些進展之前，愛因斯坦1955年已經(jīng)去世。他后來越來越強調(diào)理論本身的優(yōu)點，比如他在1930年寫道：“我認為廣義相對論的主要長處不在于預(yù)言微小的觀測效應(yīng)，而在于基礎(chǔ)的簡單和自洽�！盵4]
　　回到1916年。6月，愛因斯坦完成廣義相對論框架下第一篇關(guān)于引力波的論文 [5]。在引力場比較弱的時候，時空度規(guī)是在沒有引力的情況即平直時空基礎(chǔ)上的一個小擾動。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)這個小擾動可以是以光速傳播的波，這就是引力波。他還發(fā)現(xiàn)引力波只有兩種螺旋態(tài)。順便介紹一下，在愛因斯坦相對論之前，1900年，洛侖茲在猜測，引力的傳遞需要不超過光速的有限速度。1905年，龐加萊將洛倫茲變換推廣到有引力的情況下，首次使用“引力波”一詞。
　　在關(guān)于引力波的這篇文章中，愛因斯坦還試圖算出引力輻射能，但是有錯。正確的結(jié)果在他1918年的一篇文章中給出，即著名的4極矩公式 [12]。他下一篇也是最后一篇關(guān)于引力波的論文是多年后與羅森(N. Rosen)合作的工作，最初是質(zhì)疑引力波的存在性，在被《物理評論》退回后改投到《富蘭克林學會會刊》，發(fā)表時改為關(guān)于圓柱狀引力波的存在 [13,14,15]。
　　1916年10月，愛因斯坦討論了廣義相對論里的能量動量守恒 [15]。這導致了廣義相對論的一系列課題，比如，能量動量的定義是不是與坐標系無關(guān)。后來人們知道當在無窮遠時空趨于平直時，答案是肯定的。在其它相關(guān)問題中，有一個問題是，引力系統(tǒng)的總能量是不是總是正的。肯定的答案由丘成桐和舍恩于1979年證明 [17]。

愛因斯坦1916年完成引力波論文后建立量子電磁輻射理論

1916年，在完成引力波論文后，愛因斯坦在3篇論文中，提出了本文2.1節(jié)已介紹的量子電磁輻射理論，給后來的量子電動力學和量子光學打下基礎(chǔ) [18,19,20]。這些論文還告訴人們，光子的動量反比于波長，等于普朗克能量量子除以光速，從而一舉完成了光子說。
　　他的第一篇文章已經(jīng)包含了前面已介紹過的吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種過程和普朗克公式的新推導 [18]。在第二篇文章中，愛因斯坦通過對在輻射中處于平衡態(tài)的原子或分子的布朗運動的分析，論證了輻射過程是一個定向的過程，從而確立了光量子是具有動量的微觀粒子，而且還指出，自發(fā)輻射發(fā)出的光子的方向是隨機的 [19]。愛因斯坦提出的這種隨機性后來成為量子力學的一個核心概念。1916年8月24日，愛因斯坦致貝索的信表明，第二篇文章發(fā)表在紀念克萊納（A. Kleiner，蘇黎世大學教授，曾負責審核愛因斯坦的博士論文）的一個期刊特輯上。而發(fā)表于1917年的第三篇文章其實完全是第二篇在另一期刊的重印。然而愛因斯坦的傳記作者、著名理論物理學家派斯（A. Pais）似乎沒有注意到第二篇和第三篇是完全一樣的，而把理論的完成定位在1917年 [4]。而最近討論愛因斯坦對量子論的貢獻的理論物理學家斯通（A. D. Stone）似乎不知道1916年已經(jīng)發(fā)表的第二篇文章的存在 [21]。很多人不但不知道第二篇文章的存在，而且根據(jù)第三篇，以為量子電磁輻射理論是1917年創(chuàng)立或者發(fā)表的。所以筆者在這里澄清，愛因斯坦的量子電磁輻射理論是在1916年發(fā)表的。
　　除了激光，愛因斯坦的量子電磁輻射理論還與今天很多科學研究直接相關(guān)，比如獲得2014年諾貝爾物理與化學獎的研究 [8]。
　　那么，是什么驅(qū)使愛因斯坦在1916年回到他離開了好幾年的量子論？
　　在1916年6月預(yù)言引力波的論文中，計算了引力波引起的能量損失后，愛因斯坦寫道：“由于電子在原子內(nèi)部的運動，原子將不僅輻射電磁能，還要輻射引力能，即使很小。因為這事實上不大可能是正確的，似乎量子論不但要改變麥克斯韋電動力學，還要改變新引力理論�！盵5] 派斯猜測，可能是這個問題激勵愛因斯坦幾個月后作出他的量子電磁輻射理論 [4]。