中國基礎科學開始發力，「太極計劃」到底有多牛？未來可期

在航天大會上，我國公布了「太極計劃」的最新進展，這個計劃總共包含三顆衛星，一顆已經在2019年的8月份升空，第二顆衛星預計在2024年升空，到2033年將完成三顆衛星的部署。

這個最新的消息看起來貌似沒有什麼？畢竟我們近年來發射衛星的頻率非常高，衛星升空已經是常事了。

但是，這次的三顆衛星跟以往的任何一顆衛星都不同，它代表了中國在兼顧實用科學的基礎上開始向基礎科學領域發力。

在我看來「太極計劃」比任何一次航天計劃都具有更加深遠的意義，它是我國所有理論物理學家最為樂意看到的一項科研任務。

因為從應用科學到基礎科學的轉變，意味著我國近百年來通過學習西方科學理論，發展自己的整體科技實力已經達到了一個相當不錯的水平；

這也意味著別人已經沒有啥東西可供我們學習的了，如果我們現在還是坐享其成，整天跟在別人屁股後面學習人家的理論，也不是長久之計，始終會受制於人。

所以我們要開始在基礎科學理論上尋找屬於自己的、以中國人的名字、項目命名的新的科學理論和發現。

你可能一直有這麼一個疑問，為啥中國人很少能夠摘得代表科學界最高榮譽的諾貝爾獎呢？這並不是國人不聰明，而是一直以來，我們發展的方向都是實用科學；

就是將西方人研究發現的基礎科學理論進行「變現」，服務於經濟、民生的發展，例如在我國發射的眾多衛星中，基本上都是在發展自己的航天科技，而不是研究科學理論。

這些應用科學是無法獲得諾貝爾獎的，就算我們明天在火星登陸了，只能代表我國是個科技強國，並非科學強國。

所以令理論物理學家更為興奮的是，我國加大對基礎科學領域研究的投入，未來會有更多的諾貝爾獎在中國誕生。

說了這麼多，相信你已經很想知道「太極計劃」是幹什麼的？它到底牛在了哪裡？

說白了，「太極計劃」一點都不是實用，正是它的不實用才顯示了它的偉大。因為它是在研究探測物理學的前沿：引力波。

引力波非常神秘，看不見、摸不著。而且十分微弱，它是一百年前有愛因斯坦的廣義相對論預言出來的。

廣義相對論為我們揭示了一個全新的時空觀念以及新的、更為準確引力描述，引力並非是質量質量物體之間神秘的超距作用，而是能量對時空結構的扭曲。

通過這一點，愛因斯坦為我們預言了非常違反直覺的現象，包括光線彎曲、引力透鏡效應、引力時間膨脹、宇宙的膨脹、以及類似於電磁輻射的引力輻射現象。

你看，電荷在電場中的速度（矢量）發生變化時就會發出電磁輻射，那麼質量物體在引力場的速度發生變化時，也同樣會發出引力輻射，類似於水面的漣漪。

這些引力輻射通過空間傳播到地球的時候，我們應該就能探測到它的存在。不過，這件事說起來簡單，做起來非常困難。

因為引力在四種基本力中是最弱的，它比電磁力弱了上萬億倍，所以引力波也是非常的微弱，像地球繞太陽運動這樣的質量結構所產生的引力輻射（空間漣漪），我們是根本無法探測到的。

只用通過探測宇宙中那些大質量天體，例如黑洞的合併時間，他們往往在合併時會瞬間釋放出數倍太陽質量的能量，只有這樣的大事件我們才有可能探測到引力波的存在。

總的來說，這件事非常困難。你看，人家愛因斯坦上世紀就說了引力波的存在，但直到2015年9月14日NASA的地面引力波LIGO探測器才檢測到了由36個太陽質量黑洞和29個太陽質量黑洞合併產生的引力波。

實驗科學和理論科學相差的近一個世紀，這次的發現是人類首次觀測到引力波，也驗證了愛因斯坦的偉大。

就在2019年LIGO還檢測到了85倍和66倍太陽質量黑洞在170億光年外的合併時間，這次的合併瞬間釋放了8倍太陽質量的能量，這些能量通過引力波的形式穿越空間達到了地球。

LIGO探測引力波的原理也非常簡單（原理簡單不代表做起來簡單），它作為科學的實驗儀器是一個兩個臂長為4公裡的大傢伙。

我們知道引力波是空間的漣漪，就像是海洋中的波浪一樣，當這些波浪通過LIGO的時候，它的兩個4公裡長的光路臂就會發生相對的收縮和伸展。

這樣就會造成兩條光路上的光線在發射和返回以後，在接收端產生的幹涉條紋發生變化。就像上圖中的那樣。

不過LIGO它所能探測到的引力波的頻率、波長是存在一個範圍的，也就是說它的靈敏度有限，它所能探測到的引力波的頻率大致等於臂長乘以反射次數除以光速。

所以說引力波探測器的所能探測到的頻率跟它的臂長有相當大的關係，像LIGO這樣的探測器只能探測到頻率在毫米範圍內的引力波。

這樣的引力波頻率非常高，說明它的能量應該非常大， 必須由大質量天體事件產生。

你可能會想，為什麼我們不在地球上建造一個臂長更長的探測器呢？因為在地球上臂長太長的話，探測器的會受到地球表面曲率、地震噪音或板塊構造的限制，甚至是地球上車輛經過時帶來的振動都會影響探測器測量的數據。

所以為了探測到頻率更低，更多質量較小天體產生的引力波，我們就必須規避以上因素的影響，很明顯，地球表面已經不適合了。

而我國的「太極計劃」，正是在把引力波探測器送上了太空，由三顆靈敏度非常高的衛星組成，它們在地球軌道上繞著太陽運行，呈現出等邊三角形的布局，兩兩之間的距離為300萬公裡，這個臂展相當於LIGO的75萬倍。

並且以宇宙安靜的真空空間為背景可以排除地球上一些震動的影響。如果引力波經過這三顆衛星，它們之間的距離就會發生變化，從而造成雷射幹涉條紋產生變化。

我國科學家表示，太極計劃所能達到的測量精度，靈敏程度是人類所能做到的極限水平。

那麼我們為什麼要探測引力波？它有什麼用？

這個問題是關鍵，因為我們國人喜歡問一件東西有什麼用？我們的文化裡有很強的實用主義色彩，沒有用的東西根本不感興趣。

但是這種思想不適合搞科學，尤其是研究發現科學理論，追求真理本質，因為任何的科學理論在短期來看都是無用的。

愛因斯坦寫出相對論的時候，他也說不出來他的理論到底有啥用？但是時至今日相對論在很多領域上都有很大的應用，導航衛星、醫療設備、甚至跟核武器都有關係。

歐幾裡得當年寫出幾何原本的時候，這完全就是無用的東西，求證那些幾何圖形有什麼用？但是整個幾何的發展，讓人類在很早的時候就測出了地球的直徑、並且進行了天文測距任務，讓我們了解了宇宙的廣闊，了解了河外星系的存在。

所以說，科學理論都不是眼前的利益，而是人類的長久之計。未來總有一天會「變現」的。

再來說為何要探測引力波？引力上的所有問題目前都是科學的前言，例如我們到現在都搞不懂引力的本質、以及相互作用的方式，還有為什麼引力會如此之弱？

我們現在探測到了引力波，也就是探測到了引力以波的形式在表現，但是如果量子力學是正確的，那麼它一定有粒子的性質，就是所謂的波粒二象性。

但是至今我們都沒有發現它的粒子本質。所以在引力上有太多的未解之謎等待著我們去發現，只要突破其中任何一個問題，那都是具有跨時代的意義，科學又是一次革命。

在目前的很多理論科學的前沿，我國迎頭趕上也是勢在必行的，不僅在未來會讓我們誕生出更多的諾貝爾獎級別的科學家，也能讓我國成為世界科學的中心。

以上都是比較大問題，我們過的「太極計劃」也許只是人類解開引力之謎的開始，也許並不能一步到位真的產生什麼比較大的科學發現。

但是我國的「太極計劃」會憑藉自己更為靈敏的引力波探測，發現更多小質量黑洞的合併、中子星的合併事件，還有高度不對稱的超新星也會產生引力波，合併的白矮星也會產生引力波。

由於之前LIGO的靈敏度非常低，並沒有發現這些低能量的引力波。

因此「太極計劃」未來會通過引力波對宇宙中的黑洞、中子星進行一次人口普查，知道它們的分布以及數量。

如果有幸能夠檢測到在大爆炸時期產生的空間漣漪、或者是由於空間膨脹產生的引力擾動，那麼這就將會以一種全新的方式讓我們了解宇宙的起源。

到時諾貝爾獎將是妥妥的！

雖然探測引力波並不是什麼新奇的事，國外已經做了很多年，但這件事對於我國來說意義非凡，未來我們還會加大在基礎科學上的投入，來增強我國的科學實力，而非科技實力。

我相信，在不遠的未來，我們的教科書上將會不斷的出現以中國人姓名命名的科學理論和實驗發現。