关于压缩光的毕业论文

全封闭制冷压缩机的发展趋势 【摘要】 详细介绍了全封闭制冷压缩机的发展趋势和前景。引用大量的数据证明各种压缩机的发展空间和必然性。从而为各行业使用制冷压缩机提供了可靠的数据和指导说明。 【关键词】 电磁振动式压缩机；电动式压缩机；发展趋势 0引言 发表职称论文，就找ABC论文坊： 制冷压缩机质量的好坏将直接影响着电冰箱、空调器等小型制冷设备的制冷效果、使用寿命、噪音和震动等多种性能。就制冷压缩机的工作原理与结构而言，形式多样，性能各异。现在生产的小型制冷设备采用的全封闭式压缩机，按其结构特性可分为电磁式和电动式两大类。而电动式又可分为往复活塞式、旋转活塞式和涡旋式3种类型。以上几种全封闭制冷压缩机的性能特点。 l 电磁振动式压缩机 电磁振动式压缩机有以下3种：11动圈式电磁振动型；2)动铁芯式电磁振动型；3)悬吊动磁铁式电磁振动型。其中，动圈式在全封闭式制冷压缩机中被实际应用，它是利用通以交流电流的线圈产生的交变磁场与永久磁场之间相互作用，直接驱动活塞作往复运动的压缩 机。其特点是结构简单、零部件少、加工精度要求不高、容易制造。因此从20世纪50年代开始就用于容积较小的电冰箱。ABC论文坊但从另一方面，由于电源频率变化引起的制冷量变化大，且50 Hz和60 Hz不能通用，存在着因排气、吸气压力引起行程变化等问题，使活塞行程的长短随负荷的变化而改变，同时机内弹簧作高频谐振，易产生弹性疲劳，因此一般只适用于生产100 W 以下的压缩机。而动铁芯式和悬吊动磁铁式电磁振动型由于只在研究阶段还没有实际应用。故此不作介绍。 2 电动式压缩机 2．1 往复活塞式压缩机 按其结构分为滑管式和连杆式压缩机两类。 2．1．1 滑管式压缩机 滑管式压缩机产生于20世纪60年代，它是往复活塞式压缩机的一种类型。其特点是结构简单，工艺性好，成本较低，对零部件的加工精度要求不高，制造和装配都比较容易，所以发展较快。目前这类压缩机在国内外的电冰箱生产中应用比较普遍。缺点是活塞与缸壁间的侧力较大、磨擦功耗大、能效比偏低，因此目前滑管式压缩机正在进入衰退期，将逐渐被连杆式压缩机或旋转式压缩机所取代。 2．1．2 连杆式压缩机 连杆式压缩机也属往复活塞式，是电冰箱采用时间较早的一种。在20世纪5O年代以前生产的电冰箱几乎都是采用连杆式压缩机。其特点是运转比较平稳、噪声低、磨损小、使用寿命长、能效比较高、工作可靠、综合性能优良。但由于零部件形状复杂，加工精度要求较 高，工艺难度较大，因此其发展一度受到限制，在电冰箱及其它小型制冷设备中被滑管式和旋转式压缩机所取代。近几年来随着机械工业的不断发展，对其结构进行了多方面的技术改进。目前连杆式压缩机又成为电 冰箱压缩机的主导产品。总需求是有较大的提升【1_。近年来世界各电冰箱生产大国，尤其是日本、意大利、美国等国对往复式压缩机的制造技术进行了多方面的改造，从而使连杆式压缩机的各项性能都有了很大的提高。因此，有重新成为电冰箱压缩机主导产品的趋势。 2_2 旋转式压缩机 旋转式压缩机的电机无需将转子的旋转运动转换为活塞的往复运动，而是直接带动旋转活塞作旋转运动来完成对制冷剂蒸气的压缩。这种压缩机更适合于小型空调器，特别是在家用空调器上的应用更为广泛。如美国通用电器公司和沃普公司生产的旋转式压缩机都设计了较好的防过热和润滑装置。它采用把冷凝器处的部分制冷液用配管引至压缩室，使之在气缸内喷射的冷却方式，提高了冷却效果。为了防止把大量的制冷液直接吸人气缸内，产生液击，在吸气回路的压缩机前部设有气液分离器，润滑油和制冷液一旦进入器内 则制冷液在气液分离器内蒸发，压缩机吸人的是气体；润滑油从气液分离器下方的小孔中缓缓地连续 少量进入压缩机，用这种方法防止液击[21。油泵给油的方法是在转轴下端装设两个齿轮状的叶轮，它与转轴一同转动。对油施加离心力，从转轴中心孑L把油导向上方。另外，在轴的外表面上开有螺旋状的油槽，实现对轴承部位的给油。作为安全措施。在压缩机顶部装有过 负荷继电器，这种继电器是用感温板感受压缩机内部高压气体的温度，当达到一定的温度后，继电器动作，压缩机停止运转，用这种方法防止电动机烧毁，因此说旋转式压缩机是一种很有发展前景的压缩机。其主要优点是：由于活塞作旋转运动，压缩工作圆滑平稳，平衡性能好，另外旋转式压缩机没有余隙容积，无再膨胀气体的干扰，因此具有压缩效率高、零部件少、体积小、重量轻、平衡性能好、噪音低、防护措施完备和耗电量小等优点。缺点是压缩机对材质、加工精度、热处理、装配工艺及润滑系统要求较高，由于要靠运动间隙中的润滑油进行密封，为从排气中分离出油，机壳内须做成高压，因此，电动机、压缩机容易过热，如果不采取特殊的措施。在大型压缩机和低温用压缩机中是不能使用的。由于它比其它类型的压缩机有较明显的优势，所以它得到广泛了推广应用。如国产上菱BCD一180 W、阿里斯顿BCD-220 W 等电冰箱都采用了旋转式压缩机。尤其在家用空调器上的应用就更为普遍，从发展的趋势看旋转式压缩机今后有可能成为市场的主导产品。 2．3 涡旋式压缩机 涡旋式压缩机是20世纪8O年代发展起来的新型产品。它效率高，噪声低，体积小，重量轻，不需要排气阀组，工作的可靠性及容积效率都较高，允许气体制冷剂中带少量液体，输气效率高，气体泄漏少，可较好地运用于小型热泵系统、小型空调等。综上所述，几种压缩机的性能特点，我们不难看出经多年的技术改造，连杆式压缩机在一定的时期内仍有明显的优势，而旋转式压缩机则是一种新型的产品，特别是在空调器上的应用更为广泛，必将成为制冷产业的主导产品。通过对往复式和旋转式压缩机的性能试验比较可知，往复式和旋转式压缩机，启动后排气、吸气压力的时间变化特性不同，电动机上的负荷转矩由吸、排气压力的大小确定，在往复式的情况下，投入运转几分钟内至十几分钟后，排气压力出现峰值，对于电动机，为了承受这个尖峰负荷，需要比稳定运转时所需转矩大得多f2～4倍)[31。而旋转 式压缩机，由于不存在刚刚启动后的峰值，所以，只要有一般稳定运转时所需的转矩即可，因此可以实现电动机的小型化，这也是它今后发展优势所在。 参考文献 [1]胡鹏程，赵清．电冰箱、空调器的原理和维修【M】．北京：电子工业出版社．1995：1 14—148． [2]吴业正．制冷原理及设备【M】(第2版)．西安：西安交通大学出版社．2006． [3]赵春怡，王志强．活塞式单机双级制冷压缩JJL[M]．北京：机械工业出版社．2003．

论文格式 当我们对一个问题研究之后，如何将其展现于众人面前是一个重要的工作。在这里我们结合具体的事例，给大家介绍科研的一个重要部分枣论文的一般格式及其注意事项。当然，要写出一篇好的论文，绝不是单单这么一个简要的介绍就够了，还需自己多写、多练。 随着科学技术的发展，越来越多的学者涉及到学术论文的写作领域，那么怎样写学术论文、学术论文写作是怎样要求的、格式如何，下面就介绍一下学术论文的写作，希望能对您论文写作有所帮助。 (一)题名（Title,Topic） 1、论文格式的论文题目：（下附署名）要求准确、简练、醒目、新颖。 论文题目是一篇论文给出的涉及论文范围与水平的第一个重要信息，也是必须考虑到有助于选定关键词不达意和编制题录、索引等二次文献可以提供检索的特定实用信息。 论文题目十分重要，必须用心斟酌选定。有人描述其重要性，用了下面的一句话：论文题目是文章的一半。 对论文题目的要求是：准确得体；简短精炼；外延和内涵恰如其分；醒目。对这四方面的要求分述如下。 1．准确得体 要求论文题目能准确表达论文内容，恰当反映所研究的范围和深度。 常见毛病是：过于笼统，题不扣文。关键问题在于题目要紧扣论文内容，或论文内容民论文题目要互相匹配、紧扣，即题要扣文，文也要扣题。这是撰写论文的基本准则。 2．简短精炼 力求题目的字数要少，用词需要精选。至于多少字算是合乎要求，并无统一的硬性规定，一般希望一篇论文题目不要超出20个字，不过，不能由于一味追求字数少而影响题目对内容的恰当反映，在遇到两者确有矛盾时，宁可多用几个字也要力求表达明确。 若简短题名不足以显示论文内容或反映出属于系列研究的性质，则可利用正、副标题的方法解决，以加副标题来补充说明特定的实验材料，方法及内容等信息使标题成为既充实准确又不流于笼统和一般化。 3．外延和内涵要恰如其分 外延和内涵属于形式逻辑中的概念。所谓外延，是指一个概念所反映的每一个对象；而所谓内涵，则是指对每一个概念对象特有属性的反映。 命题时，若不考虑逻辑上有关外延和内涵的恰当运用，则有可能出现谬误，至少是不当。 4．醒目 论文题目虽然居于首先映入读者眼帘的醒目位置，但仍然存在题目是否醒目的问题，因为题目所用字句及其所表现的内容是否醒目，其产生的效果是相距甚远的。 有人对36种公开发行的医学科持期刊1987年发表的论文的部分标题，作过统计分析，从中筛选100条有错误的标题。在100条有错误的标题中，属于省略不当错误的占20%；属于介词使用不当错误的占12%）。在使用介词时产生的错误主要有： ①省略主语枣第一人称代词不达意后，没有使用介词结构，使辅助成分误为主语； ②需要使用介词时又没有使用； ③不需要使用介词结构时使用。属主事的错误的占11%；属于并列关系使用不当错误的占9%；属于用词不当、句子混乱错误的各占9%，其它类型的错误，如标题冗长、文题不符、重复、歧意等亦时有发生。 （二）作者姓名和单位（Author and department） 这一项属于论文署名问题。署名一是为了表明文责自负，二是记录作用的劳动成果，三是便于读者与作者的联系及文献检索（作者索引）。大致分为二种情形，即：单个作者论文和多作者论文。后者按署名顺序列为第一作者、第二作者厖。重要的是坚持实事求是的态度，对研究工作与论文撰写实际贡献最大的列为第一作者，贡献次之的，列为第二作者，余类推。注明作者所在单位同样是为了便于读者与作者的联系。 （三）摘要（Abstract） 论文一般应有摘要，有些为了国际交流，还有外文（多用英文）摘要。它是论文内容不加注释和评论的简短陈述。其他用是不阅读论文全文即能获得必要的信息。 摘要应包含以下内容： ①从事这一研究的目的和重要性； ②研究的主要内容，指明完成了哪些工作； ③获得的基本结论和研究成果，突出论文的新见解； ④结论或结果的意义。 论文摘要虽然要反映以上内容，但文字必须十分简炼，内容亦需充分概括，篇幅大小一般限制其字数不超过论文字数的5%。例如，对于6000字的一篇论文，其摘要一般不超出300字。 论文摘要不要列举例证，不讲研究过程，不用图表，不给化学结构式，也不要作自我评价。 撰写论文摘要的常见毛病，一是照搬论文正文中的小标题（目录）或论文结论部分的文字；二是内容不浓缩、不概括，文字篇幅过长。 （四）关键词（Key words） 关键词属于主题词中的一类。主题词除关键词外，还包含有单元词、标题词的叙词。 主题词是用来描述文献资料主题和给出检索文献资料的一种新型的情报检索语言词汇，正是由于它的出现和发展，才使得情报检索计算机化（计算机检索）成为可能。 主题词是指以概念的特性关系来区分事物，用自然语言来表达，并且具有组配功能，用以准确显示词与词之间的语义概念关系的动态性的词或词组。 关键词是标示文献关建主题内容，但未经规范处理的主题词。关键词是为了文献标引工作，从论文中选取出来，用以表示全文主要内容信息款目的单词或术语。一篇论文可选取3~8个词作为关键词。 关键词或主题词的一般选择方法是： 由作者在完成论文写作后，纵观全文，先出能表示论文主要内容的信息或词汇，这些住处或词江，可以从论文标题中去找和选，也可以从论文内容中去找和选。例如上例，关键词选用了6个，其中前三个就是从论文标题中选出的，而后三个却是从论文内容中选取出来的。后三个关键词的选取，补充了论文标题所未能表示出的主要内容信息，也提高了所涉及的概念深度。需要选出，与从标题中选出的关键词一道，组成该论文的关键词组。 关键词与主题词的运用，主要是为了适应计算机检索的需要，以及适应国际计算机联机检索的需要。一个刊物增加关键词这一项，就为该刊物提高引用率、增加知名度开辟了一个新的途径。 （五）引言（Intorduction） 引言又称前言，属于整篇论文的引论部分。其写作内容包括：研究的理由、目的、背景、前人的工作和知识空白，理论依据和实验基础，预期的结果及其在相关领域里的地位、作用和意义。 引言的文字不可冗长，内容选择不必过于分散、琐碎，措词要精炼，要吸引读者读下去。引言的篇幅大小，并无硬性的统一规定，需视整篇论文篇幅的大小及论文内容的需要来确定，长的可达700~800字或1000字左右，短的可不到100字。 （六）正文（Main body） 正文是一篇论文的本论，属于论文的主体，它占据论文的最大篇幅。论文所体现的创造性成果或新的研究结果，都将在这一部分得到充分的反映。因此，要求这一部分内容充实，论据充分、可靠，论证有力，主题明确。为了满足这一系列要求，同时也为了做到层次分明、脉络清晰，常常将正文部分人成几个大的段落。这些段落即所谓逻辑段，一个逻辑段可包含几个自然段。每一逻辑段落可冠以适当标题（分标题或小标题）。段落和划分，应视论文性质与内容而定。 （七）参考文献 [序号]. 编著者. 书名[M]，出版地：出版社，年代，起止页码 [序号]. 作者. 论文名称[J]，期刊名称，年度，卷（期），起止页码 电子文献的载体类型及其标识 随着我国信息化进程的加快，电子文献的采用量逐渐加大，其标注方式的规范化已经提到议事日程上来了。现根据国家新闻出版署印发的《中国学术期刊（光盘版）检索与评价数据规范》的有关规定，对来稿提出如下要求： 一、对于数据库、计算机程序及电子公告等电子文献类型的参考文献，以下列双字母作为标示： 电子文献类型 数据库 计算机程序 电子公告 电子文献类型标识 DB CP EB 二、电子文献的载体类型及其标识 对于非纸张类型载体的电子文献，当被引用为参考文献时需在参考文献类型中同时标明其载体类型。 《规范》采用双字母表示电子文献载体类型：磁带(magnetic tape)MT，磁盘(disk)DK，光盘(CD-ROM) CD，联机网络(online)OL，并以下列格式表示包括了文献载体类型的参考文献类型标识： [文献类型标识/载体类型标识] 如：[DB/OL]——联机网上数据库（database online） [ DB/MT]——磁带数据库（database on magnetic tape） [M/CD]——光盘图书（monograph on CD-ROM） [CP/DK]——磁盘软件（computer program on disk） [J/OL]——网上期刊（serial online） [EB/OL]——网上电子公告（electronic pulletin board online） 如：[1]王明亮．关于中国学术期刊标准数据库系统工程的进展[DB/OL]．文献网址, 1998-08-16/1998-10-04． 以纸张为载体的传统文献在引作参考文献时不必注明其载体类型。 编写要求 页面要求：毕业论文须用A4（210×297）标准、70克以上白纸，一律采用单面打印；毕业论文页边距按以下标准设置：上边距为30mm，下边距为25mm，左边距和右边距为25mm；装订线为10mm，页眉16mm，页脚15mm。 页眉：页眉从摘要页开始到论文最后一页，均需设置。页眉内容：浙江广播电视大学汉语言文学类本科毕业论文，居中，打印字号为5号宋体，页眉之下有一条下划线。 页脚：从论文主体部分（引言或绪论）开始，用阿拉伯数字连续编页，页码编写方法为：第×页共×页，居中，打印字号为小五号宋体。 前置部分从中文题名页起单独编页。 字体与间距：毕业论文字体为小四号宋体，字间距设置为标准字间距，行间距设置为固定值20磅。

你是山建大的？我也写啊

昨天（2020年12月10日），“墨子量子奖”通过网络会议形式宣布。继前两届分别授予量子计算和量子通信领域之后，2020年度“墨子量子奖”授予了量子精密测量领域。

“墨子沙龙”邀请施郁教授对获奖人的相关工作进行了解读。

作者 | 施郁（复旦大学物理学系教授）

2020年度“墨子量子奖”授予量子精密测量领域，获奖科学家是做出理论贡献的卡尔顿·凯夫斯（Carlton Caves）以及做出实验贡献的香取秀俊（Hidetoshi Katori）和叶军。评审委员会给出的信息如下[1]。

Carlton Caves， 美国新墨西哥大学。 获奖理由： 凭借其在量子精密测量及量子信息理论方面的基础性工作，尤其是阐明干涉仪中的基本噪声及其在压缩状态下的抑制作用方面的工作；

Hidetoshi Katori， 日本东京大学； Jun Ye， 美国科罗拉多大学博尔德分校。 获奖理由： 凭借他们在量子精密测量方面的突破性成就，特别是在开发极其稳定和精确的光学原子钟方面的成就。

本文按照作者理解，评介获奖科学贡献以及相关研究领域。

1.用压缩光探测引力波

这是引力波探测中的量子噪声问题。对用来探测引力波的激光干涉仪，Carlton Caves分析了海森堡不确定关系所带来的测量精度极限，并且提出了用压缩光来克服这个极限。这个方法已经被探测引力波的激光干涉仪实际采用，而且最近已经发挥了作用。

引力波经过的地方，空间尺度发生振动变化，所以存在于其中的世间万物的长度都发生振动。这也就提供了引力波探测的途径。

现在人们用激光干涉仪探测引力波。干涉仪通过激光的干涉效应，测量两臂的长度差（图1）。事实上，在每个臂上，激光都要来回反射多次，拉长有效路程。引力波通过时，会引起两臂长度差随时间振动，成为引力波的信号。

图1. 引力波探测仪中的激光干涉（图源：T. Pyle/LIGO）

但是引力波引起的长度变化非常小，相对原来的长度只有大概10-22。很多噪声都可能引起物体更大的长度变化，因此引力波探测的一个关键是要排除各种各样的噪声。

对于探测引力波的激光干涉仪来说，噪声包括低频率的辐射压强在镜子上引起的反冲、镜子悬挂系统的热噪声，以及高频率的量子噪声。之所以有量子噪声，是因为对于这么小的尺度，量子效应要起作用[2]。

因此引力波探测不仅是引力物理问题，而且首先是精密测量问题，作为最精密的测量，与量子计量学密切相关。在量子计量学的 历史 上，引力波探测扮演了重要角色。

对于量子系统来说，一个物理量可能没有准确的值，称作有“量子涨落”或者“量子噪声”。这限制了测量的准确性。而海森堡不确定关系给出了量子噪声下限。

对于同一个量子态而言，如果准确确定某个物理量（比如位置），那么与之不相容的物理量（比如动量，即质量乘以速度）就不能准确确定。一般来说，对于测量之前的量子态，被测物理量不是确定的，而测量这个物理量，总是使这个物理量变为一个确定值。但是，具体是哪个确定值，却是随机确定的。所以测量改变了测量时刻的量子态，然后量子态随时间演化。这又带来下一次测量的误差。

引力波探测的 历史 上，最初被考虑的设备是Joseph Weber的巨大金属棒。苏联的Vladimir Braginsky首先研究了不确定关系对位置测量精度的限制。不确定关系说，位置的不确定乘以动量的不确定性不小于一个下限。如果在某个时刻准确确定了位置，那么该时刻的动量就不确定。但是，未来时刻的位置由测量时确定的位置、不确定的动量、时间共同决定，所以未来的位置就有了不确定性，它有一个非零、依赖于时间的最小值，叫做“标准量子极限”。

Braginsky指出，通过所谓量子非破坏性测量，可以绕过标准量子极限。1980年，Braginsky研究组、Kip Thorne及其合作者（包括他的学生Caves）两组团队独立提出了具体方案，叫做“频闪测量法”。对于周期性的振动，每过一个周期，测量一次位置，这样虽然每次测量都改变了量子态，但是并不改变在这些时间的位置[3]。

当时人们也研究用激光干涉仪探测引力波。1980年，作为加州理工学院的博士生，Caves指出，干涉仪的主要误差并不是来自干涉仪中镜子的位置与动量的不相容，而是来自光场的光子数目的涨落，这叫做“散粒噪声”（shot noise）[4]。这是探测高频引力波的主要噪声。

爱因斯坦1905年就告诉我们，光由一颗一颗的光量子（后来简称“光子”）组成。作为一个物理量，光子数目可能不确定。不确定关系在这里表现为，光子数目的涨落（也就是不确定性）和辐射压强的涨落的乘积不小于一个下限。辐射压强的涨落也就是碰撞镜子的光子束流的涨落。这些涨落都是电磁场的固有性质。

可以有这样的光，其中光子数目的涨落很小，但是辐射压强的涨落很大，因此仍然满足不确定关系。这样的光叫做“压缩光”，因为某个物理量（比如光子数目）的涨落得到了“压缩”。压缩光可以通过非线性光学过程得到。

1981年，Caves建议，除了激光，再从干涉仪的另一个输入口注入压缩光（图2）[5]。压缩光缩小了激光的不同光子到达光子探测器的时间差别。

图2. 激光从左侧进入干涉仪，压缩光（图中用虚线代表）从下方进入 [5]

使用压缩光，降低散粒噪声，特别有利于探测来自中子星或小黑洞并合的引力波。这是因为，在并合过程中，中子星或者小黑洞互相绕行更快，因此发出的引力波的频率较高。

目前国际上测量引力波的干涉仪主要有：美国LIGO的两个直线相距3002公里的干涉仪，臂长4公里，分别位于Hanford和Livingston；意大利VIRGO的干涉仪，臂长3公理；德国GEO600的干涉仪，臂长600米；日本KAGRA的干涉仪，臂长3公理，这是亚洲第一个、也是世界上第一个位于地下的引力波干涉仪，今年2月份开始运行。

十几年前，人们就开始在实验上实施压缩光方案。2010年，GEO600首先采用了压缩光，对于不低于750 Hz的引力波探测提高了敏感度（1Hz代表每秒振动1次）[6,7]。几年前，LIGO的Hanford探测器也做了压缩光实验，针对黑洞或中子星并合产生的引力波（频率可以低至150 Hz），敏感度增加了1倍，而且增大了可探测的频率范围宽度[8]。

2015年9月14日， LIGO的两个探测器第一次成功探测探测到了引力波。后来， VIRGO也与LIGO联合探测。在前两轮的探测中，LIGO共探测到11次引力波事件，其中，10次来自黑洞并合，1次来自中子星并合，而且还与Virgo共同探测了几次，包括第一次探测到中子星并合。

去年4月1日，LIGO的两个探测器和Virgo完成了又一次升级，开始第三轮探测工作，预计持续到明年3月[9]。这次升级中，LIGO的两个探测器（图3）和Virgo探测器（图4）注入了压缩光[10,11]，探测器的激光功率也增加了。

因此目前这一轮运行中正在使用压缩光，并作更仔细的探测。这样可以捕捉到更多的引力波，估计比以前增加20%至50%，有望得到来自超新星或者黑洞与中子星并合产生的引力波，而且将引力波信号实时预警，使得从射电到X射线波段的望远镜可以合作观察这些事件。

图3. 目前LIGO干涉仪的示意图，左边是压缩光源[10]

图4. 目前Virgo干涉仪的示意图，左下方是压缩光源[11]

事实上，在这一轮运行中，LIGO和Virgo已经得到了一系列观测结果[14]。首先，LIGO和Virgo探测到一次黑洞并合产生的引力波（GW190412），其中两个黑洞的质量分别是30和8太阳质量，质量比值超过以前所有的情况。然后，LIGO观察到迄今所探测到的最大的引力波事件（GW190521），来自85太阳质量和66太阳质量的两个黑洞并合为142太阳质量的黑洞。这么大的黑洞既超出了以前所知的恒星级黑洞的质量范围，也不属于超大质量黑洞，给相关的天体物理理论提出了挑战。但是也有可能这个引力波源不是黑洞并合。LIGO和Virgo还探测到26太阳质量的黑洞与太阳质量的天体并合成25太阳质量（GW190814），这也是对理论的一个挑战：一方面，不清楚太阳质量的天体是高质量的中子星还是低质量的黑洞，因为以前认为中子星的最大质量是太阳质量；另一方面，并合前的两个天体质量的比值是迄今最大的。

目前使用的压缩光有一个不足之处，某个频率的散粒噪声得到压缩，但是降低了更低频率的敏感度。最近，研究人员又完成了依赖于频率的压缩[12,13]，有望下一轮探测（可能在2022年开始）中用上。LIGO已经宣布，将在今年秋天再次升级[14]。

2.光原子钟

原子钟是指，原子中的电子改变能量状态时，产生或吸收电磁波，其频率给出时间标准。这个电磁波的频率叫做“跃迁频率”，就是这两个电子能量状态的能量差除以普朗克常数。频率是单位时间的振动次数，频率的倒数是振动的时间周期。

原子钟是目前最精确的时间和频率标准，用于标准时间的确定、卫星定位，等等。协调世界时（UTC）就是基于国际原子时（IAT），而IAT来自国际上一些互相同步的原子钟所组成的网络，每天误差不超过10 9 秒（即1纳秒）。

1967年，国际度量衡大会用铯原子的最低能量态（叫做“基态”）的两个超精细能量差来定义秒。由于电子与原子核的磁相互作用，原本能量相同的量子态变得能量不一样，之间的差别叫做超精细能量差。著名的氢原子的21厘米线就对应它的超精细能量（对应波长为21厘米，这个波长的电磁波叫做微波）。

以前的原子钟基于常温下原子的微波激射（微波的激光）。但是后来，人们先用激光冷却，将原子温度降到接近绝对零度（0 K），然后再在光腔中探测它们。温度或者其他因素引起电磁波谱线有点宽度，也就说频率有误差。这影响原子钟的精确度，所以要降低温度。多次测量并作平均也能进一步提高精度。激光冷却和俘获、高品质光腔、精确的激光光谱、光梳技术带来了原子钟技术的巨大进步。

频率误差不变的情况下，升高频率也降低相对误差。铯原子钟的跃迁频率是9 109Hz，相对精度是10-16 [15]。而可见光频率大概是1014左右，因此光原子钟可以达到更低的相对精度。

实现光原子钟有两个途径。其中一个途径是基于单个离子的冷却和俘获。2019年，美国国家标准技术研究所（NIST）用铝离子实现了频率相对精度 10-19的光原子钟[16]。

光原子钟的另一个途径是基于锶、镱等稀土原子。它们的可见光谱线特别窄，提供了稳定、精确的频率标准，比铯原子钟精确千倍。锶还有一个优点，它的原子钟和激光冷却所用的电子能级可以由半导体激光产生。

.用光晶格上的一万个锶原子做成的光原子钟

进一步提高精度的一个措施是用量子多粒子系统。对N个全同原子同时测量，使得噪声降低N1/2倍。

好几个研究组用锶的429 THz跃迁频率，这是可见光谱线，谱线宽度小于1Hz，而且通过光晶格上的大量原子来进一步提高精度[17]。

叶军是NIST与科罗拉多大学博尔德分校共建的联合实验室（JILA）的研究员。2017年，他的研究组将约1万个锶原子放在3维光晶格中，实现光原子钟，原子的量子相干保持15秒，相对精度达到 10-19[17,18]。这个误差相当于宇宙年龄误差100毫秒。

他们先将锶原子冷却到15 nK，然后将它们移到3维光晶格上。因为接近绝对零度（0 K），这些原子处于能量最低状态，叫做“简并费米气体”，而且处于莫特绝缘体态，也就是说，每个格点位置上只有一个原子，从而避免了原子之间的相互作用（否则会改变跃迁频率）。对于不同格点上原子之间跃迁频率的微小差别（来自不同格点处电磁波能量的微小差别），他们将超精确光谱学与空间成像技术结合起来，修正了这些差别（图5）。这是一项新技术。

图5 叶军研究组实验的示意图。不同格点上的原子的跃迁频率用钟代表。叶军研究组将超精确光谱学与空间成像技术结合起来，修正了这些差别[17,18]。

事实上，在此一年前，他们已经实现了3维光晶格上的锶原子的简并费米气体，频率相对精度达到5 10–19 [19]。2017年的这个工作（2018年发表）将精度提高到原来的倍[17,18]。

这么高的精确度，除了作为原子钟，也可以用来研究量子多体物理，还可以研究基础物理问题,比如基本物理常数是否随时间变化，暗物质探测，广义相对论验证，以及量子引力，也可应用到引力波探测，还有实际的应用，比如提高卫星定位的精度、通过测量重力加速度来进行地质勘探，等等。

.可移动的光晶格光原子钟

但是，在某些应用上，需要解决一些问题，光原子钟才能挑战微波原子钟。比如国际原子时依赖于将各地的原子钟相比较，这是以卫星上的原子钟作中介，而目前卫星上的原子钟使用微波。因此地面上的光原子钟还只能以精度比它低的卫星上的微波原子钟为准。另外，还要考虑地球各处引力场的差异，因为对于10-18的精度，几个厘米的高度差就会体现出引力红移（广义相对论效应）。

因此体积小、可移动的光原子钟才可以在这些应用上取代铯原子钟[15]。将它们安装到卫星上，才可以提高国际原子时和卫星导航的精度。在地质测量和基础物理方面的应用也需用可移动的光原子钟。但是可移动性降低了精度，因为实验室里的光原子钟依赖于光学平台这样的笨重但稳定的设备。

最近，日本东京大学的香取秀俊与合作者搭建的两个可移动光原子钟（图6）的精度达到了5 10-18[15,20] 。这个精度相比之前的可移动光原子钟，提高了1个数量级。它们在户外工作，用光纤联系。

图6. 香取秀俊与合作者搭建的两个可移动光原子钟，两个光原子钟用光纤联系起来[20]。

对于光原子钟的两个途径来说，光晶格可以胜过单个离子，但是光晶格上的原子对于电场扰动更敏感，而产生光晶格的激光、附近的电荷，环境中的黑体辐射都可以产生电场扰动。

2003年，香取秀俊与合作者用锶原子搭建了第一个基于光晶格的光原子钟。在此基础上，他们加强了光原子钟的稳定性。

而在最近的这项工作中[20]，他们先将锶原子冷却到几微K，然后将它们放到环形光腔中的一个1维光晶格上。再用激光将俘获原子推到一个黑体辐射屏障中，这个屏障隔离了环境中的黑体辐射。在屏障中，原子完成最后的冷却。用于原子钟的激光尽量准确地调节到跃迁频率。越准确，发生跃迁的原子越多。通过测量激发原子的数目来确定原子钟精度。所有的操作可以通过个人电脑远程控制。

原子钟可用于测量广义相对论效应，也就是引力差异导致的时间差异，即引力红移。据此，目前的GPS卫星定位系统每天调整38皮秒（1皮=10-12）。

以光原子钟的高精度，可以检验广义相对论。广义相对论表明，引力引起的频率相对变化正比于引力势能的差异，比例系数就是光速平方的倒数。如果测量出来的比例系数偏离了光速平方的倒数，就代表对广义相对论的偏离。

香取秀俊与合作者在东京晴空塔，用他们的两个可移动的光原子钟测量了引力红移。他们特意选择了这个并不理想的地点（附近的火车引起的振动较大），以显示设备的抗干扰能力。

他们将一个光原子钟放在塔下，另一个放在450米高处。根据两个光原子钟分别测量到的频率，辅以卫星和激光测量到的高度差，和重力仪在每处测量到的重力加速度，他们得到了比例系数与光速平方倒数的偏离。相对偏离是 10-5。这是迄今对这个偏离的最好的地面测量，比之前的结果精确了1个数量级，接近相距数千公里的卫星的测量结果。

总结一下今年墨子量子奖获奖人的获奖贡献。Carton Caves阐明了干涉仪中的量子噪声，并提出利用压缩态来抑制。香取秀俊与合作者搭建了第一个基于光晶格上的锶原子的光原子钟，最近又搭建了可移动的这种光原子钟，精度度达到5 10-18，而且用来测量引力红移，检验了广义相对论。叶军与合作者用3维光晶格中的约1万个锶原子实现光原子钟，它们形成简并费米气体，原子的量子相干保持15秒，相对精度高达 10-19。

向上滑动阅览【参考文献】

[1] 2020年度墨子量子奖背景和获奖人介绍。

[2] 施郁，引力波的世纪追寻（二）：引力波及其首次探测，科学，2018，70（4）：15-19.

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[11] F. Acernese et al. (Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 123, 231108 (2019).

[12] Y．Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 124, 171101 (2020).

[13] L. McCuller et al., Phys. Rev. Lett. 124, 171102 (2020).

[14] LIGO官网，

[15] C. Middleton, Physics Today 73, 6, 20 (2020).

[16] S. M. Brewer et al., Phys. Rev. Lett. 123, 033201 (2019).

[17] M. Vengalattore, Physics, 11, 22 (2018).

[18] G. Edward Marti et al., Phys. Rev. Lett. 120, 103201 (2018).

[19] S. L. Campbell et al., Science 358, 90 (2017).

[20] M. Takamoto et al., Nat. Photonics (2020).

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