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隨著美國科學(xué)家宣布首次直接探測到引力波，取得科學(xué)研究的重大突破，中國科學(xué)家當(dāng)前正在推進(jìn)的一系列與引力波探測相關(guān)的科學(xué)計(jì)劃也浮出水面

　　茫茫宇宙，隱藏著多少不為人類知曉的奧秘？近日，美國LIGO（激光干涉引力波天文臺）首次直接探測到引力波,將開啟人類觀測和研究宇宙的全新工具。

　　為愛因斯坦的相對論理論填補(bǔ)了最后一塊驗(yàn)證空白，引力波的直接探測，震驚全球，無疑是本世紀(jì)迄今為止，在天文學(xué)領(lǐng)域最具里程碑式意義的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

　　人類和引力波的首次“親密接觸”，拉開的是人類認(rèn)識引力波、研究引力波的全新序幕。“天琴計(jì)劃”、“太極計(jì)劃”和“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，這些過去“默默無聞”的中國大科學(xué)項(xiàng)目陡然間吸引了眾多關(guān)注，國內(nèi)一些頂級的科研力量希望中國在這個(gè)領(lǐng)域能夠有所貢獻(xiàn)。

　　《瞭望》新聞周刊記者連日來深入中科院、中山大學(xué)、天文學(xué)會(huì)等單位，為你揭開引力波的神秘面紗。

　　開啟人類認(rèn)識宇宙的全新窗口

　　在愛因斯坦廣義相對論中，引力波是時(shí)空波動(dòng)的具體表現(xiàn)。宇宙大爆炸、黑洞并和等天文事件會(huì)產(chǎn)生時(shí)空漣漪，如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋，這種波動(dòng)會(huì)以光速傳播。當(dāng)波動(dòng)抵達(dá)地球時(shí)，將“扭曲”地球的時(shí)空。當(dāng)然，這種扭曲是極其微弱的，微弱到你我無法感知，普通的科學(xué)儀器無法測量。

　　人類觀測宇宙的傳統(tǒng)手段是基于光學(xué)，大到數(shù)十米口徑、高到位于太空的天文望遠(yuǎn)鏡為我們帶來了關(guān)于宇宙的許多信息，這種探測方式只能是針對能夠發(fā)光或者反光的物體或者事件，最典型的便是恒星。然而，宇宙中大量存在的不發(fā)光物體及事件，卻無法通過望遠(yuǎn)鏡“看到”。

　　引力波為我們提供了一種全新的選擇。

　　2月11日，美國科學(xué)家宣布，人類首次直接探測到引力波的存在,堪稱近年來最具爆炸性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。廣東天文學(xué)會(huì)理事長樊軍輝告訴《瞭望》新聞周刊記者，不同于傳統(tǒng)的光學(xué)觀測手段，引力波開啟了人類觀測宇宙的全新窗口，將極大地豐富甚至改變?nèi)祟悓τ钪嫫鹪础⒀莼鹊恼J(rèn)知。

　　中山大學(xué)校長、中科院院士羅俊說，即使是光學(xué)手段，可見光波段、紅外紫外波段、X射線波段……不同波段觀測到的宇宙圖像都不一樣，我們?nèi)庋劭吹降氖且活w顆閃爍的恒星在天空，但用紅外線、X射線去看，卻是完全不同的景象。

　　“引力波將讓我們用另外一個(gè)視角觀測宇宙，使得我們對宇宙演化的了解更加深刻。”羅俊說，“從宇宙大爆炸開始到現(xiàn)在，宇宙一直在演化，這個(gè)過程中產(chǎn)生了不同頻段的引力波。你也可以‘看到’恒星的形成過程出現(xiàn)的引力波，可以‘看到’恒星在衰亡，也可以‘看到’兩個(gè)大質(zhì)量的天體并和。”

　　此次LIGO探測到的引力波，便是距離地球13億光年的地方，發(fā)生了兩個(gè)大質(zhì)量黑洞的并和，引力波通過13億年的光速運(yùn)行，到今天被地球上的科學(xué)家檢測到。

　　100年多前，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲證實(shí)，唯有引力波一直尚待探測。“人類直接探測到引力波，在科學(xué)史上具有里程碑式的意義。”樊軍輝說，“直接探測到引力波相當(dāng)于完成了對廣義相對論驗(yàn)證的‘最后一塊缺失的拼圖’。”

　　一個(gè)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總會(huì)給人類社會(huì)帶來無法預(yù)估的發(fā)展。樊軍輝說，可以推測，在引力波探測的牽引下，將會(huì)帶動(dòng)激光、材料、光學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科前沿的發(fā)展，LIGO的很多技術(shù)將對或者已經(jīng)對半導(dǎo)體制造、能源、材料、大數(shù)據(jù)等實(shí)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

　　許多人會(huì)問，引力波的發(fā)現(xiàn)會(huì)對普通人的生活產(chǎn)生什么影響？科學(xué)家們表示，一個(gè)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總會(huì)給人類社會(huì)帶來無法預(yù)估的發(fā)展前景。百年前電磁波剛被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，也沒有人知道它會(huì)給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機(jī)還是移動(dòng)電話，都與電磁現(xiàn)象有關(guān)。

　　“現(xiàn)在的我們大概不會(huì)比一百年前人們剛發(fā)現(xiàn)電磁波的時(shí)候想象力好太多，引力波到底能多大程度上改變?nèi)祟惖纳?，讓一百年后我們的后代去體會(huì)吧！”美國麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌說。

　　全球智慧的協(xié)作與“眾包”

　　直接探測到引力波的重大突破為何能夠在美國完成？受訪專家認(rèn)為，根本原因是美國多年來對基礎(chǔ)科研項(xiàng)目給予了持之以恒的重視和投入。例如LIGO是由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(huì)的資助下于1991年聯(lián)合建設(shè)的，基金會(huì)先后在該項(xiàng)目上投資11億美元，是該機(jī)構(gòu)迄今最大的一筆研究投入。

　　上千名科學(xué)家參與的國際合作機(jī)制，讓LIGO被譽(yù)為匯集了世界各地科學(xué)家的“最強(qiáng)大腦”旗艦隊(duì)。比如英國對LIGO鏡子懸掛系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)，德國提供激光技術(shù)，澳大利亞運(yùn)用了光學(xué)壓縮態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法等。“大項(xiàng)目需要不同背景、不同領(lǐng)域的科學(xué)家相互啟發(fā)，相互交流，這種協(xié)同和分工下，比較容易出成果。”樊軍輝說。

　　作為中國大陸唯一LIGO科學(xué)合作組織成員，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在LIGO天文臺數(shù)據(jù)的分析處理方面做出了貢獻(xiàn)。清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員曹軍威表示，作為最前沿、最頂尖的科學(xué)探索之一，引力波探測這樣的世界頂級課題必定是一次全球智慧的協(xié)作與“眾包”。

　　“這樣規(guī)模的科學(xué)探索遠(yuǎn)超出某個(gè)單一學(xué)科的范疇，也超出某一個(gè)研究小組、一個(gè)大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)，甚至一個(gè)國家的能力，必須是物理、天文、機(jī)械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與，在全球范圍聯(lián)合攻關(guān)。”曹軍威說。

　　此外，美國政府和社會(huì)形成了對基礎(chǔ)科研項(xiàng)目支持的合力。美國卡爾頓大學(xué)學(xué)生、LIGO團(tuán)隊(duì)成員之一的中國人羅家倫主要負(fù)責(zé)探測器測量的數(shù)據(jù)處理，他告訴《瞭望》新聞周刊記者，無論是國家財(cái)政支持還是社會(huì)各界捐贈(zèng)，美國全社會(huì)對于基礎(chǔ)科研高度認(rèn)同，對探索未知的興趣和支持力度都很大，從事基礎(chǔ)研究的科學(xué)家是最受尊敬的群體之一，來自社會(huì)的支持與認(rèn)同，是強(qiáng)而有力的后盾。

　　“項(xiàng)目參與人員都有一種信仰，心中堅(jiān)信引力波一定會(huì)被發(fā)現(xiàn)，所以大家愿意持續(xù)投入；美國科研沒有淘汰機(jī)制，團(tuán)隊(duì)中先后參與者很多，大家都憑著興趣和熱忱，不想做了也可以隨時(shí)退出；科研經(jīng)費(fèi)有保障，他們參與到項(xiàng)目當(dāng)中，不僅理論研究水平得以提高，科研補(bǔ)助也很高，所以無論理想和現(xiàn)實(shí)都得到很大的滿足。”羅家倫說。

　　引力波探測，中國能做什么

　　中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院教授胡恩科介紹，其實(shí)早在上世紀(jì)70年代，中國科學(xué)家就開始了引力波的研究。1973年到1998年的25年間，中山大學(xué)開展了引力波的實(shí)驗(yàn)室測量，建成了大型室溫共振式引力波探測器，該系統(tǒng)可接收來自銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的脈沖引力波信號，靈敏度居于世界前列。

　　特別值得一提的是，中山大學(xué)原物理系教授陳嘉言的研究曾經(jīng)得到國際同行的認(rèn)可，走在世界前沿，可惜他在1982年的一次實(shí)驗(yàn)事故中不幸殉職。后來，由于人才隊(duì)伍接續(xù)等問題，我國引力波研究停滯多年。直到2008年，在中科院力學(xué)所的推動(dòng)下成立空間引力波探測工作組，引力波的研究才重新開啟。

　　隨著美國科學(xué)家宣布首次直接探測到引力波，取得科學(xué)研究的重大突破，中國科學(xué)家當(dāng)前正在推進(jìn)的一系列與引力波探測相關(guān)的科學(xué)計(jì)劃也浮出水面。

　　蘇萌說，引力波的頻率很寬，就好像交響樂中分低音、中音、中高音和高音。針對不同頻率，科學(xué)家采取了不同的探測手段，科學(xué)目標(biāo)也不盡相同。目前，我國國內(nèi)主要有三大項(xiàng)目正在推進(jìn)。

　　一是由中科院高能所主導(dǎo)的基于地面探測的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，目的是探測源引力波，即宇宙大爆炸起始階段的引力波，基地位于西藏阿里地區(qū)。

　　“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”負(fù)責(zé)人、中科院高能所研究員張新民介紹說，原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區(qū)域。目前，科學(xué)家在全球共選出了４個(gè)最佳觀測點(diǎn)，南半球是南極和智利阿塔卡馬沙漠，北半球則在格陵蘭島和中國西藏阿里。

　　據(jù)介紹，中科院國家天文臺在阿里建設(shè)的觀測站位于阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)以南約20公里處海拔5100米的山脊上。這里海拔高、云量少、水汽低、透明度高，同時(shí)具備望遠(yuǎn)鏡建設(shè)與運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，是北半球最好的觀測臺址。

　　“阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過的天區(qū)面積比高緯度地區(qū)要大很多，未來阿里將成為北半球天區(qū)第一個(gè)地面觀測點(diǎn)，開啟北天區(qū)原初引力波觀測的新窗口，與南半球相呼應(yīng)。”張新民說。

　　二是由中山大學(xué)主導(dǎo)的“天琴計(jì)劃”，通過位于地球軌道的三顆衛(wèi)星對引力波進(jìn)行探測，目的是探測更為低頻的引力波。

　　該計(jì)劃提出者，中山大學(xué)校長、中科院院士羅俊介紹，LIGO目前探測的是大質(zhì)量黑洞并和造成的高頻引力波，這種引力波是脈沖式的、短時(shí)間的，難以驗(yàn)證；而“天琴計(jì)劃”將探測連續(xù)的、低頻的引力波，不僅可以反復(fù)驗(yàn)證，可信度更高，而且可能利用光學(xué)手段進(jìn)行輔助觀測。

　　“低頻的波源會(huì)豐富很多，越高頻表明天文事件越極端。”羅俊告訴《瞭望》新聞周刊記者，“換句話說，LIGO探測到的是有限的天文事件，而‘天琴計(jì)劃’將探測到更為普遍的天文事件，具有更為寬廣的探測范圍。”

　　三是由中科院推動(dòng)的同樣基于太空探測的“太極計(jì)劃”。中國科學(xué)院院士、太極計(jì)劃首席科學(xué)家胡文瑞透露，太極計(jì)劃的設(shè)想之一是在2030年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星組成引力波探測星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測，目標(biāo)是觀測雙黑洞并和和極大質(zhì)量比天體并和時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

　　胡文瑞表示，美國LIGO是基于地面儀器檢測到高頻段的引力波，與之相比，中國“天琴計(jì)劃”、“太極計(jì)劃”等都是檢測中低頻段的引力波。

　　“高頻段傳播內(nèi)容的價(jià)值與低頻段的傳播內(nèi)容相輔相成，各有獨(dú)特的科研價(jià)值。這就好似電磁波發(fā)現(xiàn)后，人們利用不同頻段的電磁波從事了廣播、微波傳輸、伽馬射線等不同用途。”胡文瑞說。

　　業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，雖然“太極計(jì)劃”和“天琴計(jì)劃”同屬太空探測項(xiàng)目，但兩者并不矛盾，主要區(qū)別在于“天琴計(jì)劃”的衛(wèi)星是放在地球軌道上測量，而“太極計(jì)劃”是在太陽軌道測量，兩者各有優(yōu)勢。