天琴計劃、阿里計劃「聆聽宇宙之聲」中國的重力波探測計劃

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近日，美國「雷射干涉重力波天文台」（LIGO）第一次直接探測到重力波，證實了愛因斯坦重力理論的最後一項預言，震動世界。重力波探測為人類開啟了宇宙觀測的全新視窗，中國科學家將在其中有何作為？
怎樣才能探測到重力波？
美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌介紹，一旦宇宙中某個地方產生了重力波信號，就好比大功率擴音喇叭在宇宙的某個角落喊一聲，這種時空的「振盪」會以重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「重力波天線」接受這些訊號。就像地球上時不時發生地震一樣，只要我們有一部好的「地震儀」就能探測到這些微乎其微的振盪。
科學家們針對不同頻率的重力波信號源，建造了不同的重力波接收器，大致可以分為三類：——這次探測到重力波的LIGO科學合作組，目標是幾十到幾千赫茲的高頻段，主要的重力波信號源是中子星、恆星級黑洞等緻密天體組成的雙星系統併合過程，探測手段就是地面數公里長的雷射干涉裝置。
——如果重力波的頻率提升到10萬分之1到1赫茲，對應的信號來源通常為質量更小一些的大質量黑洞併合過程的後期，可通過空間衛星陣列來探測。歐洲空間局的LISA計劃就是以此為目標，計劃2035年左右上天開始收集資料，其首顆技術驗證星2015年底發射升空。
——第三類接收器針對的是一種更獨特的重力波，它不同於天體運動、演化形成的重力波，而是來自於宇宙早期，產生於宇宙大霹靂時宇宙時空劇烈的暴脹過程中，也就是「原初重力波」信號。它的探測需要對宇宙微波背景輻射進行觀測，一旦被探測到對基礎物理學意義更加重大。
「此次LIGO實驗在它的工作頻段證實重力波的存在，也就是說，重力波在其他廣泛的頻段都應該存在，如果在對應這些重力波頻段的探測上建造領先的實驗裝置，就會在未來的重力波科學大發現上佔據先機。」蘇萌說。
中國的重力波探測如何行動？
實際上，早在上世紀70年代，中國科學家就開始了重力波研究，但由於種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中國的重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，「目前中國的重力波研究主要有兩個方向，一是由中山大學領銜的『天琴計劃』，是去太空捕捉重力波；二是由中科院高能物理研究所主導的『阿里實驗計劃』，目標是在地面探測原初重力波。這是兩個完全不同的研究方向和科學目標。」
「阿里實驗計劃」負責人、中科院高能所研究員張新民介紹，原初重力波太微弱，所以要選各種干擾儘量少的區域。目前，科學家在全球共選出了4個最佳觀測點，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中國西藏阿里地區。
據介紹，中科院國家天文台在阿里建設的觀測站位於阿里地區獅泉河鎮以南約20公里處，海拔5100公尺的山脊。這里海拔高、雲量少、水氣低、透明度高，同時具備望遠鏡建設與運行基礎的台址，提供了北半球最好的觀測台址。
「阿塔卡馬沙漠和阿里都處於中緯度，掃過的天區面積比高緯度地區要大很多，未來阿里將成為北半球天區第一個地面觀測點，開啟北天區原初重力波觀測的新視窗，與南半球相呼應。」張新民說。
王貽芳表示，由於中國重力波研究基礎薄弱，所以阿里計劃將通過國際合作來實施，引進國際團隊，而中國也參與國際在南美的實驗，以此快速提升中國自己的研究能力。據透露，目前美國哈佛大學、麻省理工學院、芝加哥大學等都表示出積極合作意願，中美有關方面已經簽署了相關合作協議。「阿里計劃造價小，週期短，可望約5年內出成果。」張新民說。
而「天琴計劃」是去太空聆聽重力波的聲音。蘇萌介紹說，該計劃主要將分四階段實施：第一階段完成月球／衛星雷射測距系統、大型雷射陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載雷射干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間雷射測距等關鍵技術驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間重力波探測所需的關鍵技術，發射3顆地球高軌衛星進行重力波探測。
據瞭解，完成全部4個子計劃，大約需要20年的時間，投資大約150億元人民幣。目前，「天琴計劃」的部分基礎設施建設已經啟動。
尋找重力波有什麼意義？
科學家們花費這麼大的精力去尋找重力波有什麼用？會不會像科幻電影裏那樣為我們打開「蟲洞」、開啟時間旅行帶來可能性？
蘇萌說，科學上講，重力波的發現為我們打開了研究宇宙的全新視窗，射電、光學、伽馬射線等電磁波譜研究宇宙都是來自於光子攜帶的資訊，重力波攜帶著與電磁波截然不同的資訊，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞併合時的物理過程。如果能探測到宇宙大爆炸時發出的原初重力波，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生什麼影響？科學家表示，一個新的科學發現，總會給人類社會帶來無法預估的發展。百年前電磁波剛被發現的時候，也沒有人知道會給人類帶來什麼，但是現在不管是電視機還是移動電話，都與電磁現象有關。
「現在的我們大概不會比一百年前人們剛發現電磁波時候的想像力好太多，重力波到底能多大程度上改變人類的生活，讓一百年後我們的後代去體會吧！」蘇萌說。
LIGO的發現讓我國科學家對中國重力波研究充滿期待。「目前在國際重力波探測領域，中國的影響幾乎為零，希望借此機會更大推動中國重力波研究的發展。」王貽芳說。
張新民認為，中國這個領域不能是空白。「我們必須抓緊，創新而不是跟蹤，作出我們應有的貢獻。原初重力波仍未測出，國際合作空間依然很大。」
「LIGO的發現證明瞭重力波的存在，我們可以滿懷信心地去尋找不同波段的重力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。如果能夠探測到原初重力波將是下一個重力波領域、宇宙學、高能物理的重大突破。」