王小

2016年2月16日，中國科學(xué)院公布“空間太極計(jì)劃”，目的是研究與探測(cè)空間引力波。按該計(jì)劃，將在2030年前后發(fā)射3顆衛(wèi)星組成的引力波探測(cè)星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)。

這不難讓人聯(lián)想到五天前，一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)向全世界宣布，美國的激光干涉引力波觀測(cè)站（LIGO）首次直接探測(cè)到了引力波。

在距離地球十幾億光年之外的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中，兩個(gè)黑洞發(fā)生了碰撞。它們彼此圍繞旋轉(zhuǎn)了億萬年，逐漸靠近對(duì)方，其劇烈的運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)了周圍的時(shí)空，就像水波一樣向外傳播開去，這種彎曲時(shí)-空中的漣漪就是引力波。最終在不到一秒鐘的瞬間，兩個(gè)黑洞合并成了一個(gè)新的黑洞，質(zhì)量約62個(gè)太陽質(zhì)量一般，在新黑洞平靜下來的過程中，逐漸形成一個(gè)扁平的球狀，最后的幾縷顫抖的能量逃離出去。然后時(shí)間和空間再次寂靜了。

擾動(dòng)時(shí)空的引力波，終于在2015年9月14日9時(shí)51分（北京時(shí)間當(dāng)天下午17時(shí)51分），到達(dá)地球，被美國LIGO直接探測(cè)到了。中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說：“LIGO這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)開啟了物理學(xué)的引力波時(shí)代，引力波從此由理論上的存在變成事實(shí)上的存在?！?/p>

這一新發(fā)現(xiàn)是如此激動(dòng)人心。“研究所的理論物理學(xué)家多數(shù)聚集在餐廳觀看引力波探測(cè)的新聞發(fā)布會(huì)。看到宣布發(fā)現(xiàn)引力波的一刻大家一起歡呼鼓掌……其實(shí)本該在辦公室獨(dú)自觀看，因?yàn)樵诠_的場(chǎng)合必須強(qiáng)忍淚水?！泵绹槭±砉W(xué)院物理教授文小剛在朋友圈寫道。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)將極大促進(jìn)其他引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。中國就引力波的研究討論了將近十年的時(shí)間。和引力波探測(cè)相關(guān)的計(jì)劃有兩個(gè)，除了中國科學(xué)院在2008年就自己悄悄實(shí)施的“空間太極計(jì)劃”外，還有中山大學(xué)2014年提出，2015年啟動(dòng)的“天琴計(jì)劃”。

其實(shí)，自1916年愛因斯坦發(fā)表論文論證了引力波后，科學(xué)界對(duì)實(shí)證引力波就躍躍欲試。由于技術(shù)、資金等的限制，直到20世紀(jì)70年代，世界上有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)研制并安裝了利用激光干涉探測(cè)法進(jìn)行引力波探測(cè)的設(shè)備，即激光干涉引力波探測(cè)器，如美國LIGO、德國GEO600、日本TAMA和意法合作的VIRGO。

此次發(fā)現(xiàn)引力波，就是LIGO科學(xué)合作組織（包含GEO合作組織和澳大利亞干涉引力天文協(xié)會(huì)）以及Virgo合作組織共同完成的，數(shù)據(jù)則來自美國LIGO探測(cè)器。

美國LIGO項(xiàng)目在上世紀(jì)90年代初啟動(dòng)。LIGO擁有兩套干涉儀，一套在路易斯安納州的列文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福德。列文斯頓的干涉儀有一對(duì)封閉在直徑112米真空管中的長4000米的臂，漢福德的干涉儀稍小，是一對(duì)2000米長的臂。兩個(gè)探測(cè)器距離3000公里（相當(dāng)于光速傳播10毫秒）?；驹硎?，比較光在相互垂直的兩臂中度越時(shí)所用的時(shí)間。當(dāng)引力波在垂直于干涉儀所在的平面入射時(shí)，由于它特殊的偏振特性，使干涉儀的一臂伸長而使另一臂縮短，從而使光束在兩臂中度越時(shí)所用的時(shí)間差發(fā)生變化，探測(cè)到這種變化就證實(shí)引力波存在。

“太極計(jì)劃”、“天琴計(jì)劃”與美國LIGO基于地面的觀測(cè)系統(tǒng)不同，中國計(jì)劃是把觀測(cè)放在空間。李淼介紹，“天琴計(jì)劃”將分四個(gè)部分，用20年時(shí)間執(zhí)行。首先是“月地測(cè)距”，就是月亮到地球的距離;第二步發(fā)射一顆衛(wèi)星，驗(yàn)證廣義相對(duì)論中的原理，及“天琴”未來研究所需要的技術(shù);第三步，再發(fā)射兩顆衛(wèi)星，一前一后繞著地球轉(zhuǎn)，可測(cè)量出地球質(zhì)量的分布、內(nèi)部的礦產(chǎn)資源等。最后，放三顆衛(wèi)星到距地球50萬公里的高軌上測(cè)量引力波。

“太極計(jì)劃”被列入中科院制定的空間2050年規(guī)劃。該計(jì)劃首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞介紹，這是一個(gè)中歐合作的國際合作計(jì)劃，有兩個(gè)方案。方案一是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作項(xiàng)目，計(jì)劃于今年秋天舉行第三次雙方科學(xué)家會(huì)議，并完成雙邊合作的可行性報(bào)告;方案二為2033年前后發(fā)射一組中國的引力波探測(cè)衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組，各自獨(dú)立進(jìn)行引力波探測(cè)，互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

可以說，美國LIGO的新發(fā)現(xiàn)僅僅是人類探測(cè)引力波的開端，因?yàn)槠鋬H限于可能輻射引力波很多種源中的一種，即合并的雙黑洞系統(tǒng)，且處于銀河系外。李淼說：“引力波存在且可以被探測(cè)到，人類觀測(cè)宇宙從此有了兩個(gè)窗口：電磁波和引力波。引力波天文學(xué)將成為物理學(xué)與天文學(xué)一個(gè)新分支，人類將更加深刻地認(rèn)識(shí)宇宙。天文學(xué)在21世紀(jì)將進(jìn)入引力波天文學(xué)時(shí)代。”