新華社北京２月１５日電　題：聆聽(tīng)宇宙之聲，中國(guó)有何作為？——專(zhuān)家解析中國(guó)引力波探測(cè)設(shè)想

新華社記者　吳晶晶

近日，美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)（ＬＩＧＯ）”第一次直接探測(cè)到引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦引力理論的最后一項(xiàng)預(yù)言，震動(dòng)世界。引力波探測(cè)為人類(lèi)開(kāi)啟了宇宙觀(guān)測(cè)的全新窗口，中國(guó)科學(xué)家將在其中有何作為？

怎樣才能探測(cè)到引力波？

美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌介紹，一旦宇宙中某個(gè)地方產(chǎn)生了引力波信號(hào)，就好比大功率擴(kuò)音喇叭在宇宙的某個(gè)角落喊一嗓子，這種時(shí)空的“震蕩”會(huì)以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無(wú)阻力的傳播。如果離地球足夠近，就可以用“引力波天線(xiàn)”接受這些訊號(hào)。就像地球上時(shí)不時(shí)發(fā)生地震一樣，只要我們有一個(gè)好的“地震儀”就能探測(cè)到這些微乎其微的震蕩。

科學(xué)家們針對(duì)不同頻率的引力波信號(hào)源，建造了不同的引力波接收器，大致可以分為三類(lèi)：

——這次宣布探測(cè)到引力波的ＬＩＧＯ科學(xué)合作組，目標(biāo)是幾十到幾千赫茲的高頻段，主要的引力波信號(hào)源是中子星、恒星級(jí)黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)并合過(guò)程，探測(cè)手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。

——如果引力波的頻率提升到十萬(wàn)分之一到一赫茲，對(duì)應(yīng)的信號(hào)來(lái)源通常為質(zhì)量更小一些的大質(zhì)量黑洞并合過(guò)程的后期，可通過(guò)空間衛(wèi)星陣列來(lái)探測(cè)。歐洲空間局的ＬＩＳＡ項(xiàng)目就是以此為目標(biāo)，計(jì)劃２０３５年左右上天開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，其首顆技術(shù)驗(yàn)證星２０１５年底發(fā)射升空。

——第三類(lèi)接收器針對(duì)的是一種更獨(dú)特的引力波，它不同于天體運(yùn)動(dòng)、演化形成的引力波，而是來(lái)自于宇宙早期，產(chǎn)生于宇宙大爆炸時(shí)宇宙時(shí)空劇烈的暴脹過(guò)程中，也就是“原初引力波”信號(hào)。它的探測(cè)需要對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行觀(guān)測(cè)，一旦被探測(cè)到對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)意義更加重大。

“此次ＬＩＧＯ實(shí)驗(yàn)在它的工作頻段證實(shí)引力波的存在，也就是說(shuō)，引力波在其他廣泛的頻段都應(yīng)該存在，如果在對(duì)應(yīng)這些引力波頻段的探測(cè)上建造領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)裝置，就會(huì)在未來(lái)的引力波科學(xué)大發(fā)現(xiàn)上占據(jù)先機(jī)?！碧K萌說(shuō)。

中國(guó)的引力波探測(cè)如何行動(dòng)？

實(shí)際上，早在上世紀(jì)７０年代，中國(guó)科學(xué)家就開(kāi)始了引力波研究，但由于種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到２００８年，在中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動(dòng)下，中國(guó)的引力波研究才再度開(kāi)啟。

中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳院士說(shuō)，“目前中國(guó)的引力波研究主要有兩個(gè)方向，一是由中山大學(xué)領(lǐng)銜的‘天琴計(jì)劃’，是去太空捕捉引力波；二是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的‘阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃’，目標(biāo)是在地面探測(cè)原初引力波。這是兩個(gè)完全不同的研究方向和科學(xué)目標(biāo)?！?/p>

“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，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(guān)測(cè)點(diǎn)，南半球是南極和智利阿塔卡馬沙漠，而北半球則在格陵蘭島和我國(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(guān)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。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)行基礎(chǔ)的臺(tái)址，提供了北半球最好的觀(guān)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(guān)測(cè)點(diǎn)，開(kāi)啟北天區(qū)原初引力波觀(guān)測(cè)的新窗口，與南半球相呼應(yīng)?！睆埿旅裾f(shuō)。

王貽芳表示，由于國(guó)內(nèi)引力波研究基礎(chǔ)薄弱，所以阿里計(jì)劃將通過(guò)國(guó)際合作來(lái)實(shí)施，引進(jìn)國(guó)際團(tuán)隊(duì)，而我們也參與國(guó)際在南美的實(shí)驗(yàn)，以此快速提升我們自己的研究能力。據(jù)透露，目前美國(guó)哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)等都表示出積極合作意愿，中美有關(guān)方面已經(jīng)簽署了相關(guān)合作協(xié)議。

“阿里項(xiàng)目造價(jià)小，周期短，可望約５年內(nèi)出成果?！睆埿旅裾f(shuō)。

而“天琴計(jì)劃”是去太空聆聽(tīng)引力波的聲音。蘇萌介紹說(shuō)，該計(jì)劃主要將分四階段實(shí)施：第一階段完成月球／衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計(jì)劃地面輔助設(shè)施；第二階段完成無(wú)拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及空間等效原理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測(cè)距等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及全球重力場(chǎng)測(cè)量；第四階段完成所有空間引力波探測(cè)所需的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進(jìn)行引力波探測(cè)。

據(jù)了解，完成全部四個(gè)子計(jì)劃，大約需要二十年的時(shí)間，投資大約１５０億元人民幣。目前，“天琴計(jì)劃”的部分基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)。

尋找引力波有什么意義？

科學(xué)家們花費(fèi)這么大的精力去尋找引力波有什么用？會(huì)不會(huì)像科幻電影里那樣為我們打開(kāi)“蟲(chóng)洞”、開(kāi)啟時(shí)間旅行帶來(lái)可能性？

蘇萌說(shuō)，科學(xué)上講，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開(kāi)了研究宇宙的全新窗口，射電、光學(xué)、伽馬射線(xiàn)等電磁波譜研究宇宙都是來(lái)自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時(shí)的物理過(guò)程。如果能探測(cè)到宇宙大爆炸時(shí)發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

那它對(duì)普通人的生活會(huì)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。百年前電磁波剛被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，也沒(méi)有人知道會(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(huà)，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)電磁波時(shí)候的想象力好太多，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！”蘇萌說(shuō)。

ＬＩＧＯ的發(fā)現(xiàn)讓我國(guó)科學(xué)家對(duì)中國(guó)引力波研究充滿(mǎn)期待?！澳壳霸趪?guó)際引力波探測(cè)領(lǐng)域，中國(guó)的影響幾乎為零，希望借此機(jī)會(huì)更大推動(dòng)國(guó)內(nèi)引力波研究的發(fā)展?！蓖踬O芳說(shuō)。

張新民認(rèn)為，中國(guó)作為一個(gè)大國(guó)，這個(gè)領(lǐng)域不能是空白?！拔覀儽仨氉ゾo，創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。原初引力波仍未測(cè)出，國(guó)際合作空間依然很大?！?/p>

“ＬＩＧＯ的發(fā)現(xiàn)證明了引力波的存在，我們可以滿(mǎn)懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。如果能夠探測(cè)到原初引力波將是下一個(gè)引力波領(lǐng)域、宇宙學(xué)、高能物理的重大突破?！碧K萌說(shuō)。