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引力波探测,中国能做什么__胡恩科

2017-12-12  物理网文
探索]引力波探测,中国能做什么
来源:瞭望 时间: 2016-02-22 16:00

原标题:揭开引力波的神秘面纱

随着美国科学家宣布首次直接探测到引力波,取得科学研究的重大突破,中国科学家当前正在推进的一系列与引力波探测相关的科学计划也浮出水面

茫茫宇宙,隐藏着多少不为人类知晓的奥秘?近日,美国LIGO(激光干涉引力波天文台)首次直接探测到引力波,将开启人类观测和研究宇宙的全新工具。

为爱因斯坦的相对论理论填补了最后一块验证空白,引力波的直接探测,震惊全球,无疑是本世纪迄今为止,在天文学领域最具里程碑式意义的重大科学发现之一。

人类和引力波的首次“亲密接触”,拉开的是人类认识引力波、研究引力波的全新序幕。“天琴计划”、“太极计划”和“阿里实验计划”,这些过去“默默无闻”的中国大科学项目陡然间吸引了众多关注,国内一些顶级的科研力量希望中国在这个领域能够有所贡献。

《瞭望》新闻周刊记者连日来深入中科院、中山大学、天文学会等单位,为你揭开引力波的神秘面纱。

开启人类认识宇宙的全新窗口

在爱因斯坦广义相对论中,引力波是时空波动的具体表现。宇宙大爆炸、黑洞并和等天文事件会产生时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹,这种波动会以光速传播。当波动抵达地球时,将“扭曲”地球的时空。当然,这种扭曲是极其微弱的,微弱到你我无法感知,普通的科学仪器无法测量。

人类观测宇宙的传统手段是基于光学,大到数十米口径、高到位于太空的天文望远镜为我们带来了关于宇宙的许多信息,这种探测方式只能是针对能够发光或者反光的物体或者事件,最典型的便是恒星。然而,宇宙中大量存在的不发光物体及事件,却无法通过望远镜“看到”。

引力波为我们提供了一种全新的选择。

2月11日,美国科学家宣布,人类首次直接探测到引力波的存在,堪称近年来最具爆炸性的科学发现之一。广东天文学会理事长樊军辉告诉《瞭望》新闻周刊记者,不同于传统的光学观测手段,引力波开启了人类观测宇宙的全新窗口,将极大地丰富甚至改变人类对宇宙起源、演化等的认知。

中山大学校长、中科院院士罗俊说,即使是光学手段,可见光波段、红外紫外波段、X射线波段……不同波段观测到的宇宙图像都不一样,我们肉眼看到的是一颗颗闪烁的恒星在天空,但用红外线、X射线去看,却是完全不同的景象。

“引力波将让我们用另外一个视角观测宇宙,使得我们对宇宙演化的了解更加深刻。”罗俊说,“从宇宙大爆炸开始到现在,宇宙一直在演化,这个过程中产生了不同频段的引力波。你也可以‘看到’恒星的形成过程出现的引力波,可以‘看到’恒星在衰亡,也可以‘看到’两个大质量的天体并和。”

此次LIGO探测到的引力波,便是距离地球13亿光年的地方,发生了两个大质量黑洞的并和,引力波通过13亿年的光速运行,到今天被地球上的科学家检测到。

100年多前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直尚待探测。“人类直接探测到引力波,在科学史上具有里程碑式的意义。”樊军辉说,“直接探测到引力波相当于完成了对广义相对论验证的‘最后一块缺失的拼图’。”

一个新的科学发现,总会给人类社会带来无法预估的发展。樊军辉说,可以推测,在引力波探测的牵引下,将会带动激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展,LIGO的很多技术将对或者已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。

许多人会问,引力波的发现会对普通人的生活产生什么影响?科学家们表示,一个新的科学发现,总会给人类社会带来无法预估的发展前景。百年前电磁波刚被发现的时候,也没有人知道它会给人类带来什么,但是现在不管是电视机还是移动电话,都与电磁现象有关。

“现在的我们大概不会比一百年前人们刚发现电磁波的时候想象力好太多,引力波到底能多大程度上改变人类的生活,让一百年后我们的后代去体会吧!”美国麻省理工学院物理系研究员苏萌说。

全球智慧的协作与“众包”

直接探测到引力波的重大突破为何能够在美国完成?受访专家认为,根本原因是美国多年来对基础科研项目给予了持之以恒的重视和投入。例如LIGO是由麻省理工学院和加州理工学院在美国国家科学基金会的资助下于1991年联合建设的,基金会先后在该项目上投资11亿美元,是该机构迄今最大的一笔研究投入。

上千名科学家参与的国际合作机制,让LIGO被誉为汇集了世界各地科学家的“最强大脑”旗舰队。比如英国对LIGO镜子悬挂系统做出贡献,德国提供激光技术,澳大利亚运用了光学压缩态的实验方法等。“大项目需要不同背景、不同领域的科学家相互启发,相互交流,这种协同和分工下,比较容易出成果。”樊军辉说。

作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织成员,清华大学研究团队在LIGO天文台数据的分析处理方面做出了贡献。清华大学信息技术研究院研究员曹军威表示,作为最前沿、最顶尖的科学探索之一,引力波探测这样的世界顶级课题必定是一次全球智慧的协作与“众包”。

“这样规模的科学探索远超出某个单一学科的范畴,也超出某一个研究小组、一个大学或研究机构,甚至一个国家的能力,必须是物理、天文、机械、激光、精密仪器、信息等方方面面的专家共同参与,在全球范围联合攻关。”曹军威说。

此外,美国政府和社会形成了对基础科研项目支持的合力。美国卡尔顿大学学生、LIGO团队成员之一的中国人罗家伦主要负责探测器测量的数据处理,他告诉《瞭望》新闻周刊记者,无论是国家财政支持还是社会各界捐赠,美国全社会对于基础科研高度认同,对探索未知的兴趣和支持力度都很大,从事基础研究的科学家是最受尊敬的群体之一,来自社会的支持与认同,是强而有力的后盾。

“项目参与人员都有一种信仰,心中坚信引力波一定会被发现,所以大家愿意持续投入;美国科研没有淘汰机制,团队中先后参与者很多,大家都凭着兴趣和热忱,不想做了也可以随时退出;科研经费有保障,他们参与到项目当中,不仅理论研究水平得以提高,科研补助也很高,所以无论理想和现实都得到很大的满足。”罗家伦说。

引力波探测,中国能做什么

中山大学物理科学与工程技术学院教授胡恩科介绍,其实早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波的研究。1973年到1998年的25年间,中山大学开展了引力波的实验室测量,建成了大型室温共振式引力波探测器,该系统可接收来自银河系内的超新星爆发所产生的脉冲引力波信号,灵敏度居于世界前列。

特别值得一提的是,中山大学原物理系教授陈嘉言的研究曾经得到国际同行的认可,走在世界前沿,可惜他在1982年的一次实验事故中不幸殉职。后来,由于人才队伍接续等问题,我国引力波研究停滞多年。直到2008年,在中科院力学所的推动下成立空间引力波探测工作组,引力波的研究才重新开启。

随着美国科学家宣布首次直接探测到引力波,取得科学研究的重大突破,中国科学家当前正在推进的一系列与引力波探测相关的科学计划也浮出水面。

苏萌说,引力波的频率很宽,就好像交响乐中分低音、中音、中高音和高音。针对不同频率,科学家采取了不同的探测手段,科学目标也不尽相同。目前,我国国内主要有三大项目正在推进。

一是由中科院高能所主导的基于地面探测的“阿里实验计划”,目的是探测源引力波,即宇宙大爆炸起始阶段的引力波,基地位于西藏阿里地区。

“阿里实验计划”负责人、中科院高能所研究员张新民介绍说,原初引力波太微弱,所以要选各种干扰尽量少的区域。目前,科学家在全球共选出了4个最佳观测点,南半球是南极和智利阿塔卡马沙漠,北半球则在格陵兰岛和中国西藏阿里。

据介绍,中科院国家天文台在阿里建设的观测站位于阿里地区狮泉河镇以南约20公里处海拔5100米的山脊上。这里海拔高、云量少、水汽低、透明度高,同时具备望远镜建设与运行的基础条件,是北半球最好的观测台址。

“阿塔卡马沙漠和阿里都处于中纬度,扫过的天区面积比高纬度地区要大很多,未来阿里将成为北半球天区第一个地面观测点,开启北天区原初引力波观测的新窗口,与南半球相呼应。”张新民说。

二是由中山大学主导的“天琴计划”,通过位于地球轨道的三颗卫星对引力波进行探测,目的是探测更为低频的引力波。

该计划提出者,中山大学校长、中科院院士罗俊介绍,LIGO目前探测的是大质量黑洞并和造成的高频引力波,这种引力波是脉冲式的、短时间的,难以验证;而“天琴计划”将探测连续的、低频的引力波,不仅可以反复验证,可信度更高,而且可能利用光学手段进行辅助观测。

“低频的波源会丰富很多,越高频表明天文事件越极端。”罗俊告诉《瞭望》新闻周刊记者,“换句话说,LIGO探测到的是有限的天文事件,而‘天琴计划’将探测到更为普遍的天文事件,具有更为宽广的探测范围。”

三是由中科院推动的同样基于太空探测的“太极计划”。中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞透露,太极计划的设想之一是在2030年前后发射三颗卫星组成引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并和和极大质量比天体并和时产生的引力波辐射,以及其他的宇宙引力波辐射过程。

胡文瑞表示,美国LIGO是基于地面仪器检测到高频段的引力波,与之相比,中国“天琴计划”、“太极计划”等都是检测中低频段的引力波。

“高频段传播内容的价值与低频段的传播内容相辅相成,各有独特的科研价值。这就好似电磁波发现后,人们利用不同频段的电磁波从事了广播、微波传输、伽马射线等不同用途。”胡文瑞说。

业内人士认为,虽然“太极计划”和“天琴计划”同属太空探测项目,但两者并不矛盾,主要区别在于“天琴计划”的卫星是放在地球轨道上测量,而“太极计划”是在太阳轨道测量,两者各有优势。

中国基础科研如何更上一层楼

业内专家均认为,目前国内做引力波理论研究的比较多,做相关实验的研究团队相对还较少。美国LIGO的这次发现相信会对国内引力波研究有很大的推动,相信更多的科学家会加入到实验的队伍当中。

樊军辉表示,近年来,随着国家综合实力的不断提升,国家对基础科研的重视程度不断加强,特别是在人才培养、平台建设、政策制定等方面不断改革,科研人员的创新活力不断被释放,相信在不远的未来基础科研成果会井喷式地出现。

受访专家建议,采取有力措施,推动我国基础科研领域进一步跨越式发展。

首先,对基础科学领域的项目进行区别对待,要有魄力大投入、有耐心久等待、有决心宽容失败。樊军辉说,一个国家的基础研究,要达到一定的高度,必须有国家的大量投入,而这种投入在短期之内是难以见到成果的,但这不应该成为基础研究受到冷遇的理由;相反,这是国家发展的重要基石。

其次,改革科研评价体系。比如中山大学的“天琴计划”以在太空探测到引力波作为目标牵引,如果国家要支持类似的项目,就需要改变目前的项目考核评价体系,因为这种项目不应该以发表文章作为考核,而应该以是否趋近目标来衡量项目成败,不能以现有的体系生搬硬套。

再次,积极搭建平台,推动一批由中国引领的大科学工程国际合作项目,集国际尖端众智“为我所用”。当前我国比较成功的国际合作项目仅有大亚湾中微子项目等少数几个,还缺少类似于美国LIGO、欧洲核子研究中心等在国际上具有不可替代性的大科学工程,导致在不少基础科学研究领域,中国科学家往往是参与者,而非主导者。中国科学家参与这些项目,尽管对提升我国的科研水平有一定帮助,但长久来看还是“为他人作嫁衣裳”。如果在这些基础科学研究领域,中国能多一些主导,对整体科研实力的提升,以及一级人才的培养,成效将不可同日而语。

第四,国家应该有一个论证机制,从现在就开始规划与准备,遴选优秀项目,开展预研,保证在未来30年甚至更长的时间内,有源源不断的重大成果出现。中国科学院院士、中科院高能物理所所长王贻芳表示,大项目自然不能保证百发百中,但风险不能成为不作为的理由。在高能物理、核物理、天文、天体物理等研究领域,要想成为世界领先,要想获得LIGO这样的重大科学成果,必须要有新思想、新技术或新方法,并落实为大项目,这是必由之路。好的科学目标和技术路线、关键技术基础和人才队伍是一切项目都必需的,但对大项目来说,还需要通过管理,实现可靠的论证、完备的设计和正确的执行。

第五,亟须在全社会形成对基础科研的理解、尊重、支持的氛围。目前,一些群众认为我国国力还相对薄弱,没有必要花费太多经费在基础科学领域,现阶段更应该重视应用研究。然而,受访人士认为,离开了基础科学,应用研究便缺少了基石。就像电磁波的发现最终使人类有了无线电通信和手机,相对论的提出为核能利用和卫星定位技术提供了理论支撑,基础研究看似不功利,其实是最大的功利。□

(文/《瞭望》新闻周刊记者:扶庆、马晓澄、李峥巍、张漫子、陈宇轩、黄浩苑、喻菲、吴晶晶)

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延伸阅读:

引力波探测的“中国足印”

中国“空间太极计划”首席科学家、中科院院士胡文瑞(左)、吴岳良。

空间太极计划标识

从上世纪70年代的自主研发引力波探测器,到如今的“天琴计划”、“阿里实验计划”、“空间太极计划”,中国科学家在“捕捉”引力波、探索宇宙初创奥秘的征程中一直在奋起直追。

中国探索脚步艰辛

1969年,美国马里兰州立大学的约瑟夫·韦伯宣称,他已探测到不排除为引力波的信号,引起物理学界极大关注。

虽然当时条件艰苦,但是在这个世界顶级难题的漫长求索中,中国科学家从未放弃过自己的努力。上世纪70年代初,中山大学物理系教授陈嘉言等科学家决定白手起家,寻找引力波。没有实验室,他们就借来一间不足30平方米的、潮湿而不通风的地下室。清理房子,刷石灰,装电灯,搬石块,查文献,借仪器……1976年,他们装起了引力波天线模拟系统,并取得第一批实验数据。

同年,国家科委和教育部把这项研究定为国家重点研究项目,批准建筑专用实验室。但是基建工程、建筑材料、承建队伍都得自己联系。为此,科学家们自己清洗小房间大大小小的钢制真空罐、自己去切割搬运数十米长的钢轨。终于在上世纪80年代初,他们用简单的、最原始的棒状天线,研发出达到同类型里世界级水平的引力波检测器。

遗憾的是,1982年,陈嘉言不幸在真空罐中触电殉职。此后,由于人才队伍接续等问题,中国的引力波研究停滞了许多年。直到2008年,在中国科学院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,空间引力波探测工作组成立,引力波的中国研究才再启征程。

另辟蹊径追赶世界

一般来说,针对不同频率的引力波信号源,探测的方式也会有所不同。主要有四种情况:

第一种是超大质量黑洞并合时发出的引力波,对应的频率在百万分之一到一万分之一赫兹。科学家可用若干精确校准后的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源阵列,利用地面的大型射电望远镜来寻找引力波。

第二种频率为十万分之一到一赫兹,对应的信号源通常为质量更小一些的大质量黑洞并合过程的后期,可通过空间卫星阵列来探测。例如欧洲空间局的空间激光干涉引力波探测项目。

第三种是这次宣布探测到的几十到几千赫兹的高频段引力波,其信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程,探测手段是地面数公里的激光干涉装置。

第四种是“原初”引力波,它是宇宙大爆炸时宇宙时空剧烈的暴胀过程中产生的信号,需要对宇宙微波背景辐射进行观测。

目前,中国的引力波研究主要有两个方向,一是由中山大学领衔的“天琴计划”,去太空捕捉引力波;二是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,目标是在地面探测“原初”引力波。

“天琴计划”将开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。整个计划大约需要20年,投资大约150亿元。

该计划主要分四个阶段。第一阶段是完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等“天琴计划”地面辅助设施。第二阶段是完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验。第三阶段是完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量。第四阶段是完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射3颗地球高轨卫星进行引力波探测。

“阿里实验计划”则拟在位于我国阿里地区狮泉河镇以南约20公里处、海拔5100米的山脊上建立引力波观测站。该计划负责人、中科院高能所研究员张新民解释称,这里海拔高、云量少、水汽低、透明度高,同时具备望远镜建设与运行基础的台址,提供了北半球最好的观测台址,将用于探测极早期宇宙“暴涨”过程、寻找宇宙“原初”引力波。他预计,首批成果可望约5年内“出炉”。

而就在LSC宣布探测到引力波不久,2月17日,中科院宣布了经8年酝酿的“空间太极计划”。首席科学家胡文瑞表示,中国将在2030年前后发射3颗卫星(目前尚不得知其是否就是“天琴计划”第四阶段将发射的3颗卫星),观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。

除了专门的引力波计划,结合我国国情,我国在探测引力波上并没有像美国一样建设激光干涉仪这样的直接探测引力波设备,而是投入到射电望远镜中,以找到射电天文学与引力波监测的结合点。(来源: 人民日报海外)

(责任编辑:杨喜龙)

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