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如果LIGO发现引力波中国还发卫星吗

2016年02月11日 12:16 来源于 财新网
如果在中国的“天琴计划”刚刚开始的时候,就传来LIGO已经发现引力波的消息,不啻于是对这一计划的重大打击

  文|于达维

  一位加拿大理论物理学家2月3日在Twitter上发布的一条信息,再次让全世界的物理学家都绷紧了神经,物理学王冠上的这颗最亮的明珠,又有人说要摘走了?

  而且这次他说的很明确,是美国的激光干涉引力波天文台(LIGO),观测到了两个黑洞合并的过程,而且这两个分别为36个和29个太阳质量的黑洞,合并后的质量只有62个太阳质量,换句话说,有3个太阳的质量,变成能量被引力波带走了。

  这样的发现引力波的消息,来的不止一次。早在2013年就有消息说,澳大利亚科学家首次探测到黑洞形成时喷射的引力波。

  但是我们后来发现,是翻译搞错了。实际上他们是解决了探测引力波面临的一个主要障碍。虽然在他们看来,发现引力波只是时间问题,但是这个时间有多久,他们也不知道。

 为什么找到引力波如此重要?

  根据爱因斯坦的广义相对论,引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。虽然引力波无处不在,但是非常微弱,只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞,才会产生足够强烈的引力波。

  从1919年科学家观测到的水星近日点进动和日全食时星光在太阳引力场的弯曲,到后来的星系谱线红移,广义相对论得到了三次有力的证明。但是这三大证明,都是验证了时空扭曲的现象。如果能够捕捉到时空在引力波作用下发生扭曲的瞬间,将是对广义相对论最严格的证明。

  1969年,美国马里兰大学约瑟夫•韦伯(Joseph Weber)发表论文,报告他们建立在马里兰校园和相距千里的阿贡国家实验室的铝棒引力波检测器同时接收到来自银河中心的不排除为引力波的信号。消息传来,震动了物理学界。

  此后意大利、澳大利亚、美国,包括中国的科学家都相继建造了类似的铝棒探测器,有的采取了更复杂的减震、低温、真空等措施排除干扰,但是这些探测器都没有得到令人信服的证据。

  作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠,如果探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

  翻译的错误也让许多中国科学家松了一口气,因为,引力波探测原本可能是中国科学家获得诺贝尔奖最重要的机会之一。在2011年的一次香山科学会议上,与会的专家认为,探测引力波工程,将可以催生不是一个而是一批诺贝尔奖。

  但是LIGO这次的发现,会不会让中国人的期望再次落空呢?这次的可能性就不小了。

  激光干涉引力波天文台( LIGO,Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),是美国1995年开始建设的。他们希望通过观测引力波对激光光束的改变,寻找引力波的踪迹。这一计划由麻省理工学院和加州理工学院共同主持,全球有近800名科学家参与了这一计划。

  LIGO利用激光干涉探测引力波的原理,是将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束,然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉。理想的情况下,回来的两束光应该是相同的,但是如果有引力波出现,就会对这4公里的时空发生改变,导致两束激光的细微差别,在干涉条纹上就会出现显示出来。

ligo

LIGO装置

  从2002年开始运行至今,他们一直没有发现引力波,他们所做的工作,就是设法降低各种噪声的影响,提高仪器的灵敏度。

  LIGO计划团队成员,西澳大利亚大学教授戴维•布莱尔(David Blair)曾经在邮件中跟我们说,观测到来自黑洞的引力波,将只是时间问题,但是到底有多久,不好说。“科学家们希望能够在2015年爱因斯坦诞辰100周年的时候发现引力波,我就觉得很难。”

  来自麻省理工学院引力研究中心的科普作家玛西亚•巴图斯雅克(Marcia Bartusiak),用莫扎特的《未完成交响曲》来命名她写作的关于引力波探测的著作,在她看来,爱因斯坦的这部作品虽然还没有完成,但是已经足够宏大,足够壮观。

  戛然而止的中国引力波探测

  当韦伯在1969年宣称已探测到引力波信号时,当时还处在“wenge”中的中国科学家也受到了震动。1971年杨振宁首次访华时,告诉中科院高能所的专家,利用韦伯棒探测引力波,是一个“投钱少,有重大科学意义”的课题。

  而关于这个故事,中科院数学与系统科学研究院研究员刘润球听到的版本是,杨振宁回来的时候,周培源问他能不能做,因为成本低,杨振宁说不妨一试。不管是周培源还是杨振宁先想到了这个方向,从北京到广州的中国科学家马上行动了起来。

  1979年7月在意大利召开的第二届格拉斯曼广义相对论国际会议上,来自中山大学的陈嘉言教授,由于在引力波研究方面的贡献,被聘为会议顾问委员会委员。

  

陈嘉言与他们制作的韦伯棒
陈嘉言与他们制作的韦伯棒

  这是中国的引力波研究第一次被国际社会认可,陈嘉言在会上作了《北京—广州引力波探测进展》的报告。据当时参与会议的专家回忆,当时韦伯走到杨振宁身边,紧握着他的手说:“中国人也有自己的引力波探测器了!坚持下去,奇迹将可能由你们创造!”

  但遗憾的是,中国没能坚持下去。

  据广州大学天体物理中心的王洪光教授透露,当时周培源提出的这个想法后,考虑到钱和技术的问题,中山大学都是自己做的仪器,但是最困难的是引力波信号通常很弱,没有得到重量级的成果。而在陈嘉言因为实验事故去世后,后来的人跟上,但是影响力也没那么大,后来退休的退休,转行的转行,队伍就散了。

  1982年8月底,第三届格拉斯曼国际会议在上海召开。参加会议的学者200余人,其中中国学者占了近一半。在大会开幕式的学术报告会上,来自西澳大利亚大学的戴维•布莱尔登上讲台,他以有陈嘉言这样一位杰出的朋友而自豪,他说:“我以下所报告的研究进展,属于陈和我共有。”

  布莱尔教授说,实际上他是1978年第一批被邀请到中国进行引力波探测讲学的外国学者之一。1997年,他在西安讲学时遇到了他现在的妻子鞠莉,后者是中国著名神经生物学家鞠躬院士的女儿。现在,鞠莉是他的研究小组中一个重要成员。在他的小组中,还包括多名来自中国的学者,其中来自中科院高能所的赵春农,是周培源的弟子李永贵的学生。

  实际上,赵春农是西澳大学在引力波研究上真正的实验室一把手,我们可以看到,高能所的引力波研究得到了延续。

  一位高能所专家说,实际上高能所在1988年就停止了这方面研究,中山大学因为和斯坦福大学做联合测量,又持续了一段时间,后来专家们都相继退休了。这也是因为中国当时提出“有所为有所不为”的指导思想,引力波探测在中国被当作“不为”的部分完全放弃了,做引力波的人要么退休、要么转行,要么出国。

  从现在国际引力波研究的进展上看,唯一可以让中国学者庆幸的是,尽管中国停滞了十多年,但这期间投入了大量的财力和精力的欧美国家,也没找到引力波。

  “但是这段空白造成的最大损失,是人才上的断层。”来自中科院高能所的这位专家说,“要是我们一直在做,有个队伍的延续,现在有个什么想法也能很快做起来,现在要把队伍拉起来,还需要时间。”

  重新出发

  2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组,开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。

  在2011年前的一次香山科学会议上,与会的专家认为,探测引力波工程,将可以催生不是一个,而是一批诺贝尔奖。

  去年7月23日,中国的引力波探测工程“天琴计划”开始启动。牵头这一计划的中山大学发布招聘启示,面向全球招募千人、青年千人、教授(含长江学者特聘教授)、副教授、讲师、研究员和博士后。

  天琴计划将需要一百人左右的教师团体,四五百人左右的研究、工程技术人员以及博士后。

  根据目前的设想,天琴计划主要将分四阶段实施:第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;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;第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

  完成全部四个子计划,大约需要二十年的时间,投资大约150亿。

  如果在中国的“天琴计划”刚刚开始的时候,就传来LIGO已经发现引力波的消息,不啻于是对这一计划的重大打击。当然这种打击不是科学上的,而是在决策层面的,如果引力波已经被发现,诺贝尔奖已经有主了,国家还愿不愿意花这150亿,就又增加了很大变数。

  不知是不是因为这个事情,负责为“天琴计划”招募人才的一位著名理论物理学家和科普专家,最近心情似乎不大好,总是纠结在携程出现假机票的事情上走不出来。

  当然从科学本身上看,实际上探测引力波的目的,并不只是验证广义相对论,其更加深远的意义在于引力波探测将为人类开启宇宙观测的全新窗口。有的科学家甚至把引力波的发现类比电磁波的发现,或许对整个人类社会都是一次科技革命,引力波通讯也不是没有可能。

  戴维•布莱尔教授就曾经这样对我说,实际上这一领域还有广阔的未来,未来50年内,我们能够看到大量来自关于时空、黑洞、引力与量子力学关系的研究获得诺贝尔奖,而引力波天文学是这些研究最重要的工具。

  其实,中国对于引力波研究之前空白期,损失的是人才的连续性和工程技术发展的机会,而不是可能损失了诺贝尔奖,如果引力波探测这个科学目标能够实现,意义远比得到诺贝尔奖要大。

  当然,我们也可以看到,在西澳大利亚大学,在麻省理工,在加州理工的LIGO团队中,也不乏中国学者的身影,我们也可以看到由陈嘉言等人开创了中国引力波探测的血脉,仍然得到了传承,仍然在开花结果。而且这种结果,更加单纯。

  作者为财新记者,本文为个人观点。

责任编辑:崔筝 | 版面编辑:卿滢
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