新華社北京２月１５日電　題：聆聽宇宙之聲，中國有何作為？——專家解析中國引力波探測設(shè)想

新華社記者　吳晶晶

近日，美國“激光干涉引力波天文臺（ＬＩＧＯ）”第一次直接探測到引力波，證實(shí)了愛因斯坦引力理論的最后一項(xiàng)預(yù)言，震動世界。引力波探測為人類開啟了宇宙觀測的全新窗口，中國科學(xué)家將在其中有何作為？

怎樣才能探測到引力波？

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

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

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

——如果引力波的頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對應(yīng)的信號來源通常為質(zhì)量更小一些的大質(zhì)量黑洞并合過程的后期，可通過空間衛(wèi)星陣列來探測。歐洲空間局的ＬＩＳＡ項(xiàng)目就是以此為目標(biāo)，計劃２０３５年左右上天開始收集數(shù)據(jù)，其首顆技術(shù)驗(yàn)證星２０１５年底發(fā)射升空。

——第三類接收器針對的是一種更獨(dú)特的引力波，它不同于天體運(yùn)動、演化形成的引力波，而是來自于宇宙早期，產(chǎn)生于宇宙大爆炸時宇宙時空劇烈的暴脹過程中，也就是“原初引力波”信號。它的探測需要對宇宙微波背景輻射進(jìn)行觀測，一旦被探測到對基礎(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，引力波在其他廣泛的頻段都應(yīng)該存在，如果在對應(yīng)這些引力波頻段的探測上建造領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)裝置，就會在未來的引力波科學(xué)大發(fā)現(xiàn)上占據(jù)先機(jī)?！碧K萌說。

中國的引力波探測如何行動？

實(shí)際上，早在上世紀(jì)７０年代，中國科學(xué)家就開始了引力波研究，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)所國家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動下，中國的引力波研究才再度開啟。

中科院高能物理研究所所長王貽芳院士說，“目前中國的引力波研究主要有兩個方向，一是由中山大學(xué)領(lǐng)銜的‘天琴計劃’，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)計劃’，目標(biāo)是在地面探測原初引力波。這是兩個完全不同的研究方向和科學(xué)目標(biāo)?！?/p>

“阿里實(shí)驗(yàn)計劃”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個最佳觀測點(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。這里海拔高、云量少、水汽低、透明度高，同時具備望遠(yuǎn)鏡建設(shè)與運(yùn)行基礎(chǔ)的臺址，提供了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)?！睆埿旅裾f。

王貽芳表示，由于國內(nèi)引力波研究基礎(chǔ)薄弱，所以阿里計劃將通過國際合作來實(shí)施，引進(jìn)國際團(tuán)隊(duì)，而我們也參與國際在南美的實(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)目造價小，周期短，可望約５年內(nèi)出成果。”張新民說。

而“天琴計劃”是去太空聆聽引力波的聲音。蘇萌介紹說，該計劃主要將分四階段實(shí)施：第一階段完成月球／衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設(shè)施；第二階段完成無拖曳控制、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、星間激光測距等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關(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。

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

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？會不會像科幻電影里那樣為我們打開“蟲洞”、開啟時間旅行帶來可能性？

蘇萌說，科學(xué)上講，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口，射電、光學(xué)、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來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的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發(fā)出的原初引力波，那將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。

那它對普通人的生活會產(chǎn)生什么影響？科學(xué)家們表示，一個新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總會給人類社會帶來無法預(yù)估的發(fā)展。百年前電磁波剛被發(fā)現(xiàn)的時候，也沒有人知道會給人類帶來什么，但是現(xiàn)在不管是電視機(jī)還是移動電話，都與電磁現(xiàn)象有關(guān)。

“現(xiàn)在的我們大概不會比一百年前人們剛發(fā)現(xiàn)電磁波時候的想象力好太多，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吧！”蘇萌說。

ＬＩＧＯ的發(fā)現(xiàn)讓我國科學(xué)家對中國引力波研究充滿期待?！澳壳霸趪H引力波探測領(lǐng)域，中國的影響幾乎為零，希望借此機(jī)會更大推動國內(nèi)引力波研究的發(fā)展?！蓖踬O芳說。

張新民認(rèn)為，中國作為一個大國，這個領(lǐng)域不能是空白。“我們必須抓緊，創(chuàng)新而不是跟蹤，作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。原初引力波仍未測出，國際合作空間依然很大。”

“ＬＩＧＯ的發(fā)現(xiàn)證明了引力波的存在，我們可以滿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。如果能夠探測到原初引力波將是下一個引力波領(lǐng)域、宇宙學(xué)、高能物理的重大突破?！碧K萌說。