珠海啟動「天琴計劃」 砸3億探秘引力波

2021-01-08 TechWeb

時代周報記者 高揚 發自廣州

「所有人都感到了一陣強勁的振動,這振動似乎不是來自外部,而是自己的身體發出的,似乎每個人都變成了一根嗡嗡作響的琴弦。這死亡之琴只彈奏了12下就停止了,然後一切陷人寂靜。在飛船外面,時空的薄膜在引力波中泛起一片漣漪,像風吹皺了暗夜中的湖面,對兩個世界的死亡判決以光速傳向整個宇宙。」

在劉慈欣的成名作《三體》中,曾如此描述過引力波,但大劉如此下筆時,引力波還只是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」。

今年2月,美國「雷射幹涉引力波天文臺」(LIGO)執行主任戴維·賴茨在華盛頓舉行的記者會上宣布:「我們已經探測到引力波,我們找到它了。」 賴茨現場播放了引力波轉化成的宇宙之聲:那是一聲清脆的「噗」,如水滴落水,持續時間短暫得不到1秒。

此時,距離愛因斯坦的預言整整過去了100年,距離中國開啟首個空間引力波探測的重大科研項目「天琴計劃」剛剛7個月。

美國人的發現並未停止中國人的步伐。

3月20日,「天琴計劃」在中山大學珠海校區正式啟動第一期基礎設施工程建設,中山大學校長羅俊長期從事引力的精密測量物理研究,是「天琴計劃」的牽頭者。

對羅俊而言,珠海是繼武漢之後,讓他開始人生夢想的第二個城市。在當天的奠基儀式上,羅俊心情激動:「珠海有一把躺著的琴叫橫琴,在空中有一把豎著的琴叫天琴,兩琴已經使得珠海聞名於世。天琴找到了它應該待的地方,美妙至極、天作之合。」

「天琴計劃」的第一期基礎設施工程項目眾多,其中包括建造3萬平方米的科研綜合樓、1萬平方米的山洞超靜實驗室,在鳳凰山頂建造一所5000平方米的多功能觀測臺站及上山公路等。兩個月不到,5月6日,中山大學天文與空間科學研究院院長李淼在接受時代周報記者採訪時表示,目前「天琴計劃」一期工程正在如期推進,超靜實驗室所用的山洞正在開挖。 「天琴計劃」預計用20年時間完成四個階段的建設。據李淼透露,總投資大約在100億-200億元之間。李淼向時代周報記者介紹說,目前「天琴計劃」一期工程的資金「主要由珠海市政府投入,中山大學也出了一部分」。此後三階段所需的資金,需在20年內逐步到位,「有可能籌集社會資金」。

美妙的「天琴」

在目前討論的初步概念中,「天琴計劃」將採用三顆全同的衛星構成一個等邊三角形陣列,每顆衛星內部都包含一個或兩個極其小心懸浮起來的檢驗質量。三顆衛星在太空中的分列圖類似樂器豎琴,故命名為「天琴計劃」。

李淼告訴時代周報記者,引力波方面的研究成果肯定會帶動航天、雷射物理、原子物理等方面的研究與產業發展,但需要一定的時間。具體而言,「天琴計劃」可以探測到地球的重力場分布、水資源分布,但對許多報導中所說的能夠探測礦產資源,李淼回應說並不能。

1916年,愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。在愛因斯坦的廣義相對論中,引力被認為是質量導致時空彎曲所產生的一種效應。在某些特定環境之下,這種時空彎曲能夠以波的形式向外以光速傳播,就像水面上的漣漪,這種現象被稱為引力波。一些緻密雙星系統(白矮星,中子星和黑洞),被認為是可能性比較高的引力波探測源。

直到20世紀70年代,人們才發明了一種可能精確探測到引力波的方法,即用雷射幹涉來測量。這也是今年2月宣布探測到引力波的科學組織LIGO所採用的方法。90年代,美國國家科學基金會資助了世界上第一個大規模的引力波探測項目,這就是LIGO。LIGO所用的兩面探測鏡,一個在華盛頓州的利文斯頓,一個在新澤西州的漢福德,可以探測到鏡子10米-18的位置變化。2015年9月,LIGO正是利用這個裝置成功探測到了由兩個黑洞相撞引起的引力波。

與LIGO相比,中國的「天琴計劃」則是把「鏡子」發射到了高空。羅俊曾向媒體這樣介紹兩者的區別:「天琴計劃」探測低頻段引力波,LIGO探測高頻段引力波。「天琴」是對一個天文已經觀測到的雙星系統進行觀測,探測的是連續的引力波,可以持續驗證,而LIGO探測的是短時間的引力波。羅俊說,高頻引力波大多是宇宙中更極端的事件,通常只有中子星或黑洞等大質量的天體相撞才能產生。宇宙中更多的天文事件並非這種極端事件,低頻引力波反映出來的東西更多元更豐富。

此外,LIGO是通過探測到的引力波信號反演推斷存在兩個黑洞的合併發生,但沒有另外的獨立方式進行確認。相比之下,「天琴計劃」的引力波探測則有光學天文望遠鏡作為輔助手段對引力波源的存在進行確認。

面向世界,落戶珠海

李淼對時代周報記者解釋,「天琴計劃」的難點主要在航天方面,包括在高度約10萬公裡的軌道上進行雷射測距、把雷射對準等。這些工作是花錢的大頭,隨著衛星的陸續發射,所需資金將會越來越多。目前,「天琴計劃」已獲珠海市政府3億元的資金支持。

對羅俊,李淼向時代周報記者評價這是一位「非常用功、非常嚴謹」的科學家。羅俊1982年畢業於華中工學院(今華中科技大學)物理學系,2015年,羅俊離開了擔任常務副校長職位的華中科技大學,履新中山大學校長,「天琴計劃」也由此落戶嶺南。

2015年7月23日,中山大學就「天琴計劃」發布招聘啟事,面向全球招聘科研人才。負責獵頭工作的李淼曾透露,整個「天琴計劃」需要100人左右的教師團體,四五百人左右的研究、工程技術人員及博士後。其中,星間雷射測距技術、無拖曳控制技術、月球雷射測距技術、系統模擬與分析、衛星微推進技術等五個領域招聘團隊負責人,年薪大約50萬-100萬人民幣。

在接受時代周報記者採訪時,李淼透露,現在已經招到了幾位老師,還有一些正在招聘進程當中。雖然到崗人數不多,但李淼認為「進度還算可以」,「與國際上的同類項目相比,『天琴計劃』在吸引人才方面有自己的長處,中國與珠三角的經濟發展對人才都是有吸引力的。」

面向世界招聘人才是否會影響科研的自主權?李淼表示完全不用擔心。「到了中國就是屬於我們的人,我們招的人就是屬於中山大學的,不會存在說中山大學養著歐洲哪個單位的人。」此外,「天琴計劃」還會自主培養一批人才。其中中山大學天文學院將在大約5年之內招收400名本科生、400名研究生。

目前世界上最主要的引力波探測項目有美國的LIGO、法國和義大利的Virgo、德國的GEO600、歐洲航天局的eLISA和日本的TAMA300、KAGRA等。其中eLISA與「天琴計劃」都是衛星探測項目,前者計劃於2034年前發射完畢3顆衛星。李淼向時代周報記者表示,中國的「天琴計劃」與eLISA會有交流,但不會有合作。

事實上,有關引力波的研究歷程中,很早就出現了中國人的聲影。上世紀70年代初,中山大學物理系教授陳嘉言等科學家白手起家,尋找引力波。1976年,他們裝起了引力波天線模擬系統,並取得了第一批實驗數據。同年,國家科委和教育部把這項研究定為國家重點研究項目,批准建造專用實驗室。

1982年,陳嘉言教授逝世,此後由於人才隊伍接續等問題,中國的引力波研究停滯多年。2008年,在中國科學院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下,空間引力波探測工作組成立,引力波的中國研究重新開啟。

目前,除了中山大學的「天琴計劃」,中科院的「太極計劃」、「阿里計劃」也在從事相關研究。此外,中國的一些科學家也參與了歐洲合作的空間引力波探測項目:清華大學的曹軍威教授團隊直接參與了LIGO的探測工作。

就中國在引力波研究方面的實力,李淼肯定地對時代周報記者說:「中國的經濟發展很快,科學水平發展得也很快。在引力波研究方面,我們剛剛起步,但是肯定會趕上來的。」

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