網(wǎng)絡(luò)圖
隨著美國(guó)科學(xué)家宣布首次直接探測(cè)到引力波，取得科學(xué)研究的重大突破，中國(guó)科學(xué)家當(dāng)前正在推進(jìn)的一系列與引力波探測(cè)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(lèi)知曉的奧秘？近日，美國(guó)LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）首次直接探測(cè)到引力波,將開(kāi)啟人類(lèi)觀測(cè)和研究宇宙的全新工具。
為愛(ài)因斯坦的相對(duì)論理論填補(bǔ)了最后一塊驗(yàn)證空白，引力波的直接探測(cè)，震驚全球，無(wú)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(lèi)和引力波的首次“親密接觸”，拉開(kāi)的是人類(lèi)認(rèn)識(shí)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(guò)去“默默無(wú)聞”的中國(guó)大科學(xué)項(xiàng)目陡然間吸引了眾多關(guān)注，國(guó)內(nèi)一些頂級(jí)的科研力量希望中國(guó)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(lái)深入中科院、中山大學(xué)、天文學(xué)會(huì)等單位，為你揭開(kāi)引力波的神秘面紗。
開(kāi)啟人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的全新窗口
在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)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(wú)法感知，普通的科學(xué)儀器無(wú)法測(cè)量。
人類(lèi)觀測(cè)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(lái)了關(guān)于宇宙的許多信息，這種探測(cè)方式只能是針對(duì)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(wú)法通過(guò)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(guó)科學(xué)家宣布，人類(lèi)首次直接探測(cè)到引力波的存在,堪稱(chēng)近年來(lái)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(zhǎng)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(cè)手段，引力波開(kāi)啟了人類(lèi)觀測(cè)宇宙的全新窗口，將極大地豐富甚至改變?nèi)祟?lèi)對(duì)宇宙起源、演化等的認(rèn)知。
中山大學(xué)校長(zhǎng)、中科院院士羅俊說(shuō)，即使是光學(xué)手段，可見(jiàn)光波段、紅外紫外波段、X射線波段……不同波段觀測(cè)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(cè)宇宙，使得我們對(duì)宇宙演化的了解更加深刻。”羅俊說(shuō)，“從宇宙大爆炸開(kāi)始到現(xiàn)在，宇宙一直在演化，這個(gè)過(guò)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(guò)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(cè)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(guò)13億年的光速運(yùn)行，到今天被地球上的科學(xué)家檢測(cè)到。
100年多前，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。廣義相對(duì)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(cè)。“人類(lèi)直接探測(cè)到引力波，在科學(xué)史上具有里程碑式的意義。”樊軍輝說(shuō)，“直接探測(cè)到引力波相當(dāng)于完成了對(duì)廣義相對(duì)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(lèi)社會(huì)帶來(lái)無(wú)法預(yù)估的發(fā)展。樊軍輝說(shuō)，可以推測(cè)，在引力波探測(cè)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(duì)或者已經(jīng)對(duì)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(wèn)，引力波的發(fā)現(xiàn)會(huì)對(duì)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(lèi)社會(huì)帶來(lái)無(wú)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(méi)有人知道它會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)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?lèi)的生活，讓一百年后我們的后代去體會(huì)吧！”美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌說(shuō)。
全球智慧的協(xié)作與“眾包”
直接探測(cè)到引力波的重大突破為何能夠在美國(guó)完成？受訪專(zhuān)家認(rèn)為，根本原因是美國(guó)多年來(lái)對(duì)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(guó)國(guó)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(guó)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(guó)對(duì)LIGO鏡子懸掛系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)，德國(guó)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(shuō)。
作為中國(guó)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(tái)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(cè)這樣的世界頂級(jí)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(guó)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(zhuān)家共同參與，在全球范圍聯(lián)合攻關(guān)。”曹軍威說(shuō)。
此外，美國(guó)政府和社會(huì)形成了對(duì)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目支持的合力。美國(guó)卡爾頓大學(xué)學(xué)生、LIGO團(tuán)隊(duì)成員之一的中國(guó)人羅家倫主要負(fù)責(zé)探測(cè)器測(cè)量的數(shù)據(jù)處理，他告訴《瞭望》新聞周刊記者，無(wú)論是國(guó)家財(cái)政支持還是社會(huì)各界捐贈(zèng)，美國(guó)全社會(huì)對(duì)于基礎(chǔ)科研高度認(rèn)同，對(duì)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(lái)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(guó)科研沒(méi)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(wú)論理想和現(xiàn)實(shí)都得到很大的滿足。”羅家倫說(shuō)。
引力波探測(cè)，中國(guó)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(guó)科學(xué)家就開(kāi)始了引力波的研究。1973年到1998年的25年間，中山大學(xué)開(kāi)展了引力波的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，建成了大型室溫共振式引力波探測(cè)器，該系統(tǒng)可接收來(lái)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(hào)，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(guó)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(lái)，由于人才隊(duì)伍接續(xù)等問(wèn)題，我國(guó)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(cè)工作組，引力波的研究才重新開(kāi)啟。
隨著美國(guó)科學(xué)家宣布首次直接探測(cè)到引力波，取得科學(xué)研究的重大突破，中國(guó)科學(xué)家當(dāng)前正在推進(jìn)的一系列與引力波探測(cè)相關(guān)的科學(xué)計(jì)劃也浮出水面。
蘇萌說(shuō)，引力波的頻率很寬，就好像交響樂(lè)中分低音、中音、中高音和高音。針對(duì)不同頻率，科學(xué)家采取了不同的探測(cè)手段，科學(xué)目標(biāo)也不盡相同。目前，我國(guó)國(guó)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(cè)的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，目的是探測(cè)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(shuō)，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(cè)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(guó)西藏阿里。
據(jù)介紹，中科院國(guó)家天文臺(tái)在阿里建設(shè)的觀測(cè)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(cè)臺(tái)址。
“阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過(guò)的天區(qū)面積比高緯度地區(qū)要大很多，未來(lái)阿里將成為北半球天區(qū)第一個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)，開(kāi)啟北天區(qū)原初引力波觀測(cè)的新窗口，與南半球相呼應(yīng)。”張新民說(shuō)。
二是由中山大學(xué)主導(dǎo)的“天琴計(jì)劃”，通過(guò)位于地球軌道的三顆衛(wèi)星對(duì)引力波進(jìn)行探測(cè)，目的是探測(cè)更為低頻的引力波。
該計(jì)劃提出者，中山大學(xué)校長(zhǎng)、中科院院士羅俊介紹，LIGO目前探測(cè)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(cè)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(cè)。
“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(shuō)，LIGO探測(cè)到的是有限的天文事件，而‘天琴計(jì)劃’將探測(cè)到更為普遍的天文事件，具有更為寬廣的探測(cè)范圍。”
三是由中科院推動(dòng)的同樣基于太空探測(cè)的“太極計(jì)劃”。中國(guó)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(cè)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(cè)，目標(biāo)是觀測(cè)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(guò)程。
胡文瑞表示，美國(guó)LIGO是基于地面儀器檢測(cè)到高頻段的引力波，與之相比，中國(guó)“天琴計(jì)劃”、“太極計(jì)劃”等都是檢測(cè)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(shuō)。
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(cè)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(cè)量，而“太極計(jì)劃”是在太陽(yáng)軌道測(cè)量，兩者各有優(yōu)勢(shì)。
