探测引力波 中国有“太极”

2016年02月17日 07:28 中国青年报
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2月16日,中科院力学研究所胡文瑞院士(右二)在媒体见面会上介绍“太极计划。新华社记者 金立旺/摄  2月16日,中科院力学研究所胡文瑞院士(右二)在媒体见面会上介绍“太极计划。新华社记者 金立旺/摄
世界范围内科学家关于引力波的部分探测计划。中科院“太极计划”工作组供图世界范围内科学家关于引力波的部分探测计划。中科院“太极计划”工作组供图

  本报记者 邱晨辉 实习生 刘甦 玄增星

  2016年2月16日,美国人发现引力波的第5天。

  中国科学院在该院力学所组织了一场媒体见面会,首次披露了中国引力波空间探测计划——“太极计划”。早在2008年,该计划就已发起,但在这次会议以前,人们很难从网络世界找到它的影子,甚至在科学界内部,也鲜有人听闻它的名号。也因此,有人称其为神秘的探测计划。

  当地时间2月11日,美国LIGO(激光干涉引力波天文台)实验团队发现引力波实验结果的公布,使得这项计划的神秘面纱提前揭开。

  当时正值中国春节假期,“太极计划”首席科学家、中科院院士胡文瑞为这一人类重大发现激动之余,拨通了“太极计划”另一位首席科学家、中国科学院大学副校长吴岳良院士的电话,“是时候让‘太极计划’公之于众了”。

  今天,春节假期后的第三个工作日,胡文瑞、吴岳良一起出席了这次见面会。对他们来说,这是“太极计划”的一次机会——这个已经进行了8年预研究,历经不少波折,但至今尚未在国家层面取得立项计划,如今有望迎来一个“被领导和社会认可”的机会。

  LIGO的成果只是“序曲”,“主乐章”还有待谱写

  凭借两个黑洞,美国人发现引力波,证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言。有人说,一个货真价实的诺贝尔奖得主出现了。相应地,那些“擦肩而过”的物理学家们也丧失了一次绝佳的机会。

  随后,类似“中国人还有必要跟在后面继续研究吗?”的质疑声纷至沓来。

  在今天的媒体见面上,胡文瑞打了一个比方,如果把引力波看作一首交响乐,那么,LIGO实验团队的成果,只是一个“序曲”——很漂亮地证明了引力波的存在,开启引力波物理和量子宇宙物理研究的新领域。但是,引力波的“主乐章”却尚待谱写,而这很有可能要依赖于太空探测。

  在人类现有的认知体系里,引力存在于宇宙所有物质和能量之间,是人类最早认识的一种基本作用力,正是引力作用支配着宇宙的形成和演化。

  然而,人们对引力的认识却最不清楚——

  从1687年牛顿发现万有引力定律,写下《自然哲学的数学原理》,到1915年爱因斯坦建立广义相对论,人类对引力的认识产生了革命性的飞跃,引力与时空紧密相联。

  广义相对论预言了引力波的存在,认为引力波在宇宙中无处不在。但在人类发现的自然界4种基本相互作用中,引力是最弱的一种,只有“弱作用”的亿亿亿亿分之一。也因此,探测引力波长久以来成了诸多科学家的梦想。

  自上世纪60年代起,科学家就开启了探测引力波的征程。研究表明,只有由恒星级致密天体的剧烈运动所产生的高频引力波,才有可能通过现有的科学技术和实验所能达到的精度在基于地面的实验装置上探测到。

  起初,中国并未落后太多。根据胡文瑞的回忆,早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波的研究——比国际上慢了10年左右,甚至在80年代提出过世界独特的引力波探测方法,但到了80年代末,一些研究却戛然而止,有一种说法认为这与中国当时“有所为有所不为”的指导思想不无关系。

  但根据胡文瑞的了解,并非全部如此,他告诉记者,很多时候我们不是支持的“太少”,而是支持的“太多”,成了撒胡椒面,有一个短暂的皆大欢喜,而那些本该重点支持的,却受到诸多体制机制的原因没能够得到坚决和可持续的支持。

  中国引力波研究脱胎于“尚未受重视”的课题

  直到2008年,中国的引力波研究才再度出发。

  说来幸甚,胡文瑞告诉记者,引力波研究的重启,缘于一次对尚未受到重视课题的“拯救”行动。当时,中科院基础局找到一笔资金,专门用来做当时看起来还不太受重视、但未来有可能产生重大影响的课题,其中就包括引力波探测。

  据胡文瑞回忆,中科院基础局一位领导就提出要求:这个项目在科学上很有意义,前期由力学研究所安排,争取在两年内提出预研报告。

  很快,引力波论证组成立,靳刚、康琦、刘润球、罗俊、聂玉昕、魏志义、燕琳、詹明生、张晓敏、张永维、张元仲等专家都是论证组成员。其中,罗俊即如今的中山大学校长,其领衔的“天琴计划”于2014年发起,在LIGO成果出来之后也受到瞩目。

  胡文瑞说,自此,中国的空间引力波探测活动再次活跃起来,遗憾的是,此前停滞了十几年所造成的人才断层,是短时间内难以弥补的。

  2009年以来,在中国科技界颇有影响的香山会议,用了两次会议来研讨引力波探测计划,这两次会议分别是第332次的“引力理论和广义相对论的空间实验检验”会议和第403次的“空间引力波探测”会议。

  “太极计划”成员、中科院理论物理研究所研究员张元仲还记得,在第403次会议的最后,与会科学家还就关心的引力波探测与诺贝尔奖的关系进行了讨论,当时认为在引力波探测计划中,科学过程与最终结果同等重要,并一致认为,引力波与电磁波一样,为我们提供了观测宇宙的新的窗口,一旦探测成功,将会催生一批而非一个诺贝尔奖得主。

  当时,地面探测已经有美国的LIGO实验团队、意大利和法国合作的VIRGO实验团队、日本的TAMA300实验团队等等,而太空探测则有欧洲空间局提出的激光干涉空间天线(LISA)计划,日本提出的DECIGO计划等。

  中国该走哪条路?

  中国“太极”怎么打

  多次的商议和论证有了一个结果,即如今的“太极计划”。

  胡文瑞告诉记者,之所以称为“太极计划”,是因为按照中国的宇宙观,万物开始是“太极”,探测原初引力波就是研究宇宙的起源,而太极的图形与双黑洞形象很相似,故有此名。

  胡文瑞告诉记者,“太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划,目前有两个方案。方案一是参加欧洲空间局的LISA双边合作计划。方案二是发射3颗中国的引力波探测卫星组,与LISA计划于2035年左右发射的卫星组同时遨游太空,各自独立进行引力波探测,两组卫星互相补充和检验测量结果。

  太极、LISA、LIGO,地面的、天上的——引力波探测为什么需要这么多不同的手段?

  美国麻省理工学院物理系研究员苏萌有一个说法,即引力波的频率很宽,就好像声乐中分低音、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。

  类似LIGO、VIRGO这样的地面探测计划,倾听的是宇宙乐章的高音,频率是几十到几千赫兹,而LISA、“太极计划”、“天琴计划”等太空探测计划,倾听的则是宇宙乐章的中低音,频率是十万分之一到1赫兹,相比前者要低很多。吴岳良告诉记者,频率越低,波段越长,探测到的“内容”相对越丰富,实际科学价值越大,这也是为何胡文瑞称其为引力波研究的“主乐章”。

  本报北京2月16日电

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