专家解析中国引力波探测设想

新华社北京2月15日报道:倾听宇宙的声音。中国在做什么？——专家分析中国引力波探测理念

新华社记者吴静静

最近，美国“LIGO”首次直接探测到引力波，证实了爱因斯坦引力理论的最后一个预言，震撼了世界。引力波探测为人类观察宇宙打开了一扇新的窗户。中国科学家将在其中做什么？

如何探测引力波？

麻省理工学院物理系的研究员苏梦说，一旦引力波信号在宇宙的某个地方产生，它就像一个大功率的扬声器在宇宙的某个角落里发出声音。空间和时间的“振荡”将以引力波的形式在宇宙中传播，几乎没有阻力。如果你离地球足够近，你可以用引力波天线接收这些信号。就像地球上不时会发生地震一样，只要我们有一台好的“地震仪”，我们就能探测到这些微小的震动。

科学家为不同频率的引力波信号源建造了不同的引力波接收器，大致可分为三类:

-LIGO科学合作组织宣布这次探测引力波，目标是几十到几千赫兹的高频带。引力波的主要来源是由中子星和恒星黑洞等致密天体组成的双星系统的合并过程。探测装置是离地面几公里的激光干涉仪。

-如果引力波的频率上升到1/100，000至1赫兹，相应的信号源通常是质量较小的大质量黑洞合并过程的后期，这可以由空间卫星阵列探测到。欧洲航天局的LISA项目旨在实现这一目标，并计划在2035年开始收集数据。它的第一颗技术验证星将于2015年底发射。

-第三类接收器的目标是更独特的引力波，它不同于由天体运动和演化形成的引力波，而是来自宇宙的早期阶段，是在大爆炸期间空间和时间剧烈膨胀的过程中产生的，即“原始引力波”信号。它的探测需要观测宇宙微波背景辐射，一旦被探测到，它对基础物理学的意义甚至更大。

“这个LIGO实验证实了引力波在其工作频带中的存在，也就是说，引力波应该存在于其他宽频带中。如果建造一个领先的实验装置来探测这些引力波频带，它将在引力波科学的未来发现中处于领先地位。”苏梦说道。

中国的引力波探测是如何工作的？

事实上，早在20世纪70年代，中国科学家就开始研究引力波。然而，由于各种原因，他们停滞了十多年，造成了人才缺口。直到2008年，在中国科学院力学研究所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下，中国的引力波研究才重新开始。

中国科学院高能物理研究所所长王院士说:“目前中国的引力波研究主要有两个方向。一个是由中山大学领导的秦天项目，该项目旨在捕捉太空中的引力波。第二个是由中国科学院高能物理研究所领导的“阿里实验计划”，旨在探测地面上的初级引力波。这是两个完全不同的研究方向和科学目标。”

“阿里实验计划”的负责人、中国科学院高能研究所的研究员张新民说，原始引力波太弱，所以有必要选择干扰尽可能小的区域。目前，科学家已经选择了世界上四个最好的观测点。南半球是南极洲和智利的阿塔卡马沙漠，而北半球是中国*的格陵兰和阿里。

据报道，中国科学院国家天文台在阿里建立的天文台位于阿里地区狮泉河镇以南约20公里处，海拔5100米的山脊上。该站点海拔高、云量低、水汽低、透明度高，为望远镜的建造和运行奠定了基础，是北半球最好的观测站点。

“阿塔卡马沙漠和阿里都在中纬度，横扫天空的面积比高纬度地区大得多。将来，阿里将成为北半球的第一个地面观测点，为观测北半球天空中的初级引力波打开一扇新的窗口，与南半球的引力波相呼应。”张新民说。

王表示，由于我国引力波研究基础薄弱，阿里计划将通过国际合作和引进国际团队来实施，我们还将参与南美的国际实验，以迅速提高我们自身的研究能力。据消息人士称，哈佛大学、麻省理工学院和芝加哥大学都表示愿意积极合作。中美有关方面已经签署了相关合作协议。

"阿里项目由于成本低、周期短，有望在5年左右取得成效."张新民说。

“秦天计划”是去太空听引力波的声音。苏萌表示，该计划将分四个阶段实施:第一阶段，完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪和其他秦天地面辅助设施；第二阶段完成了无阻力控制、星载激光干涉仪和空间等效原理实验验证等关键技术。第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证以及全球重力场测量。第四阶段，完成空间引力波探测所需的所有关键技术，发射三颗地球高轨道卫星进行引力波探测。

据了解，完成全部四个子计划大约需要20年，投资约150亿元。目前，“秦天计划”的一些基础设施建设已经启动。

发现引力波的意义是什么？

科学家花这么多精力寻找引力波有什么用？它会像科幻电影一样给我们带来打开“虫洞”和时间旅行的可能性吗？

苏梦说，从科学上讲，引力波的发现为我们研究宇宙打开了一扇新的窗户。无线电、光学、伽马射线和其他电磁波谱通过光子携带的信息研究宇宙。引力波携带的信息与电磁波完全不同，它将揭示宇宙的新秘密，例如黑洞与黑洞融合的物理过程。如果我们能探测到大爆炸期间发射的初级引力波，它将揭示宇宙起源的秘密。

它将如何影响普通人的生活？科学家们说，一项新的科学发现总是会给人类社会带来不可预测的发展。当电磁波在一百年前首次被发现时，没有人知道它们会给人类带来什么。但是现在，无论是电视还是手机，它们都与电磁现象有关。

“现在，当人们100年前首次发现电磁波时，我们可能并不比他们想象的好多少。引力波能在多大程度上改变人类生活，并让我们的后代在100年后体验它！”苏梦说道。

LIGO的发现使中国科学家期待在中国研究引力波。“目前，在国际引力波探测领域，中国的影响力几乎为零。我希望借此机会进一步推动国内引力波研究的发展。”王对说道。

张新民认为，作为一个大国，中国在这一领域不能是一个空白。“我们必须密切关注创新，而不是跟踪，并做出我们应有的贡献。最初的引力波尚未被探测到，国际合作仍有很大空间。”

“LIGO的发现证明了引力波的存在。我们可以自信地寻找不同波段的引力波，就像不同波段的电磁波谱一样。如果能探测到初级引力波，这将是引力波领域、宇宙学和高能物理学的下一个重大突破。”苏梦说道。