引力互联网

Sergey Alexandrovich Kryukov

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2016年4月1日

CPOL

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如今引力波已被可靠探测，引力互联网指日可待。

引言

…1686年4月

艾萨克·牛顿爵士，皇家铸币厂的典狱长兼厂长，皇家学会会员，被授予了两吨的沙子，以执行场引力。

然而，牛顿爵士非但没有完成这项任务，反而坐在苹果树下，灵感乍现，任由所谓的“牛顿苹果”砸到自己头上。这次令人遗憾的事件导致牛顿爵士撰写了科幻作品，题为《自然哲学的数学原理》，随后不负责任地将此作品提交给了皇家学会。

“场引力皇家计划”的最后期限被错过了。

我特此要求就此案进行听证，并要求艾萨克·牛顿爵士出席皇家纪律委员会。

皇家行政部门主管，查尔斯·罗斯布德爵士

RF-Gazette，《莫斯科物理技术学院》，普通与应用物理系

引言

我希望今年没有错过最重要的事件：2016年2月8日，官方宣布引力波已在2015年9月14日成功探测到，这与爱因斯坦1916年的预测精确吻合，再次有力地证实了广义相对论。官方信息可在此处找到：http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazine-issue-8.pdf。

并非很少有人对广义相对论表示怀疑，但缺乏实验证据无疑阻碍了该理论的长期应用。在本文中，我们将讨论与最受期待的应用——引力互联网相关的可能性和主要组成部分。实验发现为当前技术中最令人兴奋的转折铺平了道路。

首先，让我们讨论引力互联网能为我们提供什么，然后讨论其实现。

引力通信的优势

首先，当今世界所有有线和无线通信信道都已被高数据量流所堵塞。现代基础设施布满了大量的各种电缆，而添加新电缆的成本越来越高。许多电信媒介使用了效率极低的过时技术，但它们无法被淘汰，因为它们与现有基础设施紧密相关。无线电频段也已与现有信道极度拥挤。从模拟电视向更新标准的数字电视信道过渡，在许多国家（虽然基于不同的不兼容标准，但覆盖了地球的大部分表面）的成功，清楚地表明过时的无线电频段可以被淘汰，但国家和组织之间的带宽分配仍然变得越来越困难。

在这方面，引力波领域呈现了一个空白的通信场，可以大大扩展世界通信频段的容量，从而能够明智地实现频带划分，同时考虑到在电磁通信发展过程中所犯的所有无数错误。

引力场最主要的独特优势是其 *穿透性*。事实上，与电磁场不同，世界上和近地空间中的任何介质都无法屏蔽甚至减缓引力波的速度。没有什么东西能够像锡纸帽子那样抵挡引力。有了引力互联网，无论我们在哪里，都能保持互联网连接：在地铁里、水下，甚至在轨道空间站。谷歌也将拥有无限的可能性~~来监视我们~~来考虑用户的偏好，而不管用户身在何处。

顺便说一句，说到谷歌网络和收集客户数据

有一个广为流传的说法是，这家公司“Google”的名字来源于“Googol”（10¹⁰⁰的值）的拼写错误，“这个名字是为了象征搜索引擎旨在提供海量信息”。考虑到品牌大公司的花费，这种想法至少可以说是荒谬的。很少有人知道谷歌秘密瞄准了关键的引力通信技术，并秘密资助了高级LIGO项目，因此“GOOGLE”这个名字被设计成“引力观测导向型全球连接环境”（Gravitational Observation-Oriented Global Link Environment）的首字母缩写。

可行性

引力通信的可行性一直以来都备受怀疑，但主要原因在于缺乏确凿的实验结果和极其昂贵的实验研究，而投资回报前景渺茫。因此，只有强大的政府才能够提供一些资金。现在我们有了重大的突破性结果，这种情况应该会迅速改变，因为像引力互联网和对新互联网技术投资的高吸引力等因素将发挥作用。

引力通信发展的另一个障碍是引力现象的规模。到目前为止，所有的努力都集中在低频（约10赫兹的量级，实际观测到35-150赫兹）产生的强质量运动上。确保引力波被真正探测到，并且更重要的是，向公众提供令人信服的证据，是至关重要的。而专注于通信所需的低频高频波被认为是一项高风险投资。同时，更高频率结合微小质量的振动/旋转将赋予我们更高的引力子能量，这使得它能够被同类设备轻松探测到，该设备可以被称为“引力波天线”。

根据LIGO杂志的报道，探测到的引力波源是一对合并的黑洞，它们释放的能量距离我们约13亿光年，或约0.4×10⁹秒差距。为了在地球上进行引力通信，拥有约1纳秒差距（约30.1公里）的工作范围就足够了。因此，根据平方反比定律，根据距离接收器的距离来稀释能量，我们需要比探测到的引力波源的功率低1.59×10⁴¹倍。这为利用高波频率的小型化引力天线提供了相当现实的前景。高频有助于获得引力子能量。在35-150赫兹的频率下，利用高级LEGO设施观测到的频率，引力子的能量范围为1.35×10^-13至6.2×10^-13电子伏特，但通过核能级振荡器（数10¹⁰吉赫，见本节的此类天线）的频率，其能量可以达到数百千电子伏特的量级，增益约为10¹⁹倍。

那么问题是：为什么在增益为10⁴¹和10¹⁹倍的情况下，我们还要使用外来的引力波源，而不是在地球上生成和探测它们？但另一个问题是：我们能否制造出这样的设备并实现实现真正的引力通信所需的所有必要功能？

为了回答这些问题并对可行性做出一些结论，我们首先必须考虑任何通信设备的关键元件：天线。

引力天线：总体考虑

要产生引力波，我们需要摇动相当大的质量或旋转一个经过适当配置的大质量物体，例如哑铃形物体。由于地球上几乎所有的物质都集中在原子的核中，只有核或包含核的粒子的运动才能产生期望的效果。对于微观粒子，应让大部分物质粒子参与同步运动。这些简单的原理定义了被考虑作为引力天线原型系统的特性。

引力天线：芯片级

第一种实现的引力天线是基于石英晶体振荡器，它基于压电效应现象。这种天线可以被视为晶体或芯片级天线，因为它就像任何电子元件一样可以轻松安装在 *电路板* 上，或者作为电子 *芯片* 的一部分形成。

这种天线被实现为一个机械振荡器，基于夹在两个重金属对重物之间的石英晶体。看看下面的图片。它让你想起什么了吗？

没错！这与经典的韦伯棒非常相似。约瑟夫·韦伯，尽管他有所声称，但在他大约1968年的实验中，他从未实现了引力波探测用他的探测器，但他失败的原因在于选择了错误的尺度和当时的科技水平。

另一种晶体级天线的变体可以基于磁致伸缩。这种类似于压电操作的原理有一个特殊的优点：用于振荡器的铁磁材料通常比压电晶体质量更大。此外，对晶体结构的要求也更容易满足。同时，这类设备的主要问题是它们的固有频率较低，不超过几千千赫兹（见 http://lab.fs.uni-lj.si/ladisk/data/pdf/javorski_article_transmag.pdf）。

在反铁磁晶体所表现出的类似机制压磁性上，也可以得出相同的结论。

有趣的是，芯片级天线的主体尺寸是本文讨论的所有引力天线类型中最大的。同时，尽管最大辐射强度较低，但整个通信设备是所有设备中最小的，这应该使其成为家庭和小型办公室引力互联网不可或缺的组成部分，类似于可以安装在笔记本电脑、上网本或平板电脑中的客户端Wi-Fi单元。根据我们的计算，该设备的有效范围可达0.5飞秒差距（约15米）。

然而，全规模的引力通信需要相当长的操作范围。即使是类似蜂窝网络的设备也需要至少长3个数量级的范围，即大约一皮秒差距（约30公里）。让我们考虑其他可能的天线类型，看看我们是否能够满足这一要求。

引力天线：分子层面

能否考虑在分子层面上产生引力波效应？显然，最简单的分子结构由于其旋转和振动自由度，可以充当微型引力天线。

分子层面的问题在于其效率。第一个问题是需要使用凝聚态物质来提供可探测的引力响应，所以气体不是一种选择。只有液态或固态的活性介质才能被考虑，但对于液体来说，真正的问题是实现状态之间量子跃迁的同步，或者在经典类比中，是旋转和/或振动运动的同步并保持相位，这似乎非常困难，因为液体通常具有低相干时间。这个问题可以通过使用结晶固态介质来解决，但这最终还是回到了晶体设备的问题，我们已经在关于芯片级天线的章节中讨论过。

引力天线：原子层面

我们甚至不会提及原子层面，因为它完全没有前途，因为所有原子的演化都基于重子（核子）和轻子（电子）之间的相互作用，而后者携带的质量非常小，约为核子质量的1/1836。因此，引力在原子的生命中扮演着微不足道的角色，以及所有可能的原子转化。

然而，这是“普通”原子才有的特性。有一种间接的可能性是使用奇异原子，特别是质子素。对于质子素，情况截然不同：两个重子，质量相等，围绕共同中心旋转。它们具有与双原子分子相同的机械自由度和相似的量子跃迁光谱。

然而，主要问题是奇异原子不稳定。质子素，特别是，通过其组成部分质子和反质子之间的湮灭而衰变。当然，任何宏观数量的质子素原子物质的湮灭都会产生相当大的引力波脉冲。麻烦在于：只有一次。

引力天线：核层面

核层面或许是最有前景的。重原子的原子核提供了大质量的振动，是核演化的一部分，由强相互作用结合。对我们来说，经典的核液滴模型以足够精确的方式描述了这种运动。下图示意性地展示了一个重原子核（如²³⁵U）在与冷中子碰撞后的演化。

通常，类似的图示用于说明核裂变。然而，我们更关心的是不发生放射性衰变的原子核的演化。它们继续振动，以辐射引力子的形式释放能量。变形核表面的振动自由度构成了量子态系统，其发射引力子的典型能量范围从数十到数百千电子伏特，相当于经典振动频率数10¹⁰吉赫。

要作为引力天线，活性介质中的原子核数量应：1）获得除碰撞基本粒子以外的能量输入；2）同步在整个天线体内同相振动。这两个问题都可以通过核磁共振来解决。这是少数几种能够在大范围内引起粒子波函数同步的现象之一。使用这种同步方法将材料的选择限制在具有未补偿（非零）自旋的原子核上。第一种真正的大质量元素是铂¹⁹⁵Pt，它已经适合设备设计，而且由于 *活性体* 的尺寸微乎其微，该材料的成本并不高。

我们的计算表明，基于核能级天线的整个引力互联网连接单元可以打包成与大型台式电脑或最差情况下的冰箱大小相似的组件。估计的最小设备范围约为5纳秒差距，这已经超出了我们对蜂窝引力网络的期望；设备的大小和功耗非常适合引力信号中继器的格式。有趣的是，最小尺寸的设备可以通过增加质量、尺寸和功耗来相对容易地扩展，因此我们可以计划长距离的 *有源引力天线* (AGA) 设备。我们将在下面的应用讨论中探讨此类设备提供的可能性。

此时，我们可以对引力天线给出结论：只有两种高效的天线类型：1）压电芯片级天线，射程短，适合微型设备、家庭和小办公室环境；2）核能级核磁共振宽范围天线，尺寸可从台式电脑单元向上扩展。

在确定天线类型之前，我们需要回答一个棘手的问题：使用自由传播在空间中的引力波是唯一的可能性吗？

无线还是有线？

显然，我们只受限于使用空气通信进行引力信号传输，但这并不简单。

关于电磁通信，电缆有一段有趣的往事。在电磁领域，一切都始于有线连接，在无线电发明之后，无线电和有线通信并行发展。很少有人记得，过去甚至还使用了单线地线回传传输，也就是说，信号只通过一根单线传输，主要是用于供电，但主流发展（不同版本的电报和电话）是基于双线电路。

有趣的故事发生在一家美国公司拉了极其粗的铜线的电话线，这成为了国家标准。他们采用了当时的原则，“美国的一切都很宏大”，对铜的成本不太在意。后来，当他们试图提高频率以将两个或更多信道按频带分开时，这得到了回报。人们注意到高频电流集中在集肤层，因此较大的导线半径非常有益，因为有效导电的表面积随半径的平方增长。后来，这给了我们DCL，这使得电信公司在极其缓慢的互联网上赚取了丰厚的利润。

然而，导线中部几乎没有被利用。很长一段时间里，没有人注意到这一点，尽管使用了同轴电缆，但同轴电缆的创建是为了完全不同的原因，即屏蔽信号免受电磁噪声的干扰，直到理查德·费曼认为即使同轴电缆的中心导线缺失，信号也能传播。在他的《费曼物理学讲义》中，他指出，如果你看着圆柱形管道，你可以透过它看到外面。（许多人错误地将这个解释当作玩笑。）那时，工程师们有一些很好的被遗忘的习惯，比如阅读书籍，而不仅仅是点击鼠标按钮，费曼的讲义是当时世界各地普遍阅读的书籍之一。于是，工程师们对这个可能性感到兴奋，并开始在导线中钻孔，以节省一些铜。这催生了微波技术，并最终导致了光纤网络电缆。

在引力领域，一切都以不同的方式进行。根据爱因斯坦的广义相对论，一切都始于自由传播在空间中的引力波。在技术中使用它的明显问题与电磁领域完全相同：每单位体积的功率随着距离的平方根而减小。为了在任意距离以较低的损耗传递固定的功率，有两种可能性：高度定向的能量束，如激光；或电缆。在电磁技术中，无需任何电缆的激光通信很快就实现了，但从未商业化，一直停留在学生/爱好者领域。相比之下，利用引力波，它有可能成为一项主要或主要的通信技术。原因是：引力子，以及光子，都是玻色子，更确切地说，是自旋2 玻色子（光子是自旋1），所以它们的受激发射是可能的。

与“LASER”（光放大受激辐射）的名称相对应，相应的引力设备可以称为 *“GASER”*。其实现的问题在于引力通信的主要优势——引力波的穿透性：组织波反射将是困难的，但我们在这方面有很好的研究储备。

至于电缆，情况要复杂得多。一些研究人员建议用超弦来拼接引力电缆。有趣的是，这种拼接会导致本质上的量子纠缠，而量子纠缠被认为，并且是量子计算，特别是革命性密码学的主要利用效应。

引力互联网协议

很明显，引力互联网将在不确定的时期内与电磁互联网共存，因此必须与它透明地协作。电磁-引力网关的设计似乎也很明显。而且，不太可能所有现有的消费级设备都能很快配备引力网络适配器。因此，引力互联网的主要要求是在IP包级别与电磁互联网兼容。

我们建议使用现有的IPv6协议，并添加一个额外的引力标记，可以添加到IP帧格式的第一个字段（协议版本）中，该字段目前将取三个可能版本值之一：IPv4（电磁）、电磁IPv6和引力IPv6。最方便的标记可以是Unicode码点U+0300，“尖音符”组合符号。这是一种组合符号，用于字符之后，为字符添加一个 *重音* 符号。这个建议有许多好处。首先，由于其名称，易于记忆。更重要的是，让我们看看添加的标记如何改变IPv6帧头的外观。例如，看看两个IP头部的十六进制转储样本，并“找出十个不同之处”。

不，只有一个区别：第二个样本被标记为引力。请注意重要的一点：IP头部的宽度完全相同。这意味着引力标记是以数据冗余为代价添加的，而没有修改数据包的大小。

最后，让我们考虑除传统上称为“互联网”或“Web”的应用之外的引力信号和数据传输的应用。

引力全球定位系统

引力波独特的穿透性使其成为现有全球定位系统的完美补充。接收器，类似于GPS接收器，即使通过地球本体也能接收到GSP发送器的引力读数。

新系统可以称为“引力全球定位系统”，即 *GGPS*。引入这样一个系统将需要开发一个打破国界的统一国际系统。

GGPS发送设备类型可以称为 *GOPNIK*：“全球轨道定位网络交换密钥站”（Global Orbiting Positioning Network Interchange Keystation）。但是，这些设备真的需要轨道吗？由于引力波的穿透性，这样的设备可以简单地安装在地球表面，因为近地环境无法屏蔽或以其他方式干扰其运行。然而，轨道系统有一个重要优点：它们不易受到 *破坏*。

GNFID（一种类似RFID的引力识别系统）的优势

RFID 在现代技术中占据的地位越来越重要。其应用之一是 *安全*，而RFID在这方面的利用面临着 *严重的局限性*：设备可以被简单的电磁屏蔽材料屏蔽。新技术有望提高 *库存和资产管理* 的可靠性。

基于引力天线的设备不受此问题困扰，它们无法被屏蔽。这类ID设备，可以称为“引力核频率ID”（Gravitational Nuclear Frequency ID），即 *GFNID*，一个尚未解决的问题是需要电源。问题归结为从GFNID读取器高效采集能量的问题，以获得足够的能量来为执行基本ID操作的电路和引力天线供电。使用混合电磁-引力辐射可以立即解决该问题，但这将违背引力方法的初衷，因为电磁屏蔽仍然会破坏其运行：如果收集的能量是电磁的，那么屏蔽GFNID免受用于为设备供电的无线电波的干扰，可能会使其对引力信号无响应。这就是为什么主要的研究方向是收集纯引力辐射。

结论

在这个美丽的四月天，我们都应该认识到：前方还有很多工作要做。