追寻引力波:中国“天琴”还有戏

2021-07-01 15:12  

  当美国国家科学基金会、加州理工学院和麻省理工学院的研究团队2月11日宣布,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布已经于去年9月首次探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前所做的预测,整个科学界都为之轰动了。就连一般的普通人,也被铺天盖地刷屏的引力波相关文章,着着实实地进行了一次科普洗脑。

  爱因斯坦1915年发表广义相对论时即预言有引力波存在。经过一个世纪,广义相对论的其他预言,如重力令光线弯曲、水星在近日点的移动幅度和重力红移(光在引力场中会向红端移动)等,都先后获证实,唯独引力波的存在只有间接证据。如今人类终于直接探测到了引力波的存在,为100年前发表的广义相对论预言合上了最后一块拼图,这也是对这位科学巨匠最好的纪念。

  探寻宇宙奥秘的工具

  爱因斯坦在广义相对论提出,物质在时空中运动时,附近的时空曲率会随之改变。如果是大质量物体运动,例如两个黑洞碰撞,所产生的曲率变化会像波一样向外传播,导致时空压缩、伸展,这就是引力波。引力波以光速传递,无法加以阻挡或阻挠。但是由于引力波产生的时空扭曲非常微小,在此之前科学家从未成功观测到,引力波的探测之路并不平坦。

  第一个对直接探测引力波作为伟大尝试的人是马里兰大学物理学家约瑟夫·韦伯。早在上个世纪50年代,他第一个充满远见地认识到,探测引力波不是没有可能。1969年,他宣布用自己发明的一个探测器—— 一个约2米长、直径约1米宽的铝制圆柱体——发现了引力波,当该探测器受到引力波撞击时会产生“振铃效应”。然而,他的研究结果却未能得到复制,而且该结果最终除了其本人以外,几乎遭到了所有物理学家的反对。尽管如此,他的研究依然吸引了很多研究人员加入到引力波探测的队列之中。

  得到更加广泛认可的一项发现来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的约瑟夫·泰勒及其研究生罗素·赫尔斯。两人于1974年发现了首颗脉冲双星,它由在近距离轨道上相互作用的两颗中子星构成,而且它们在以爱因斯坦理论预测的精确速率向内呈螺旋状运作——表明引力波可能在带走它们的能量。这一发现被认为是观察到引力波的间接证据,并让赫尔斯和泰勒摘得1993年的诺贝尔物理学奖桂冠。

  韦伯设计建造的共振棒的局限性,使得科学家们从70年代开始,尝试用激光干涉仪来寻找引力波的踪迹。这次宣布直接探测到引力波的LIGO团队在美国首都华盛顿及路易斯安那州各安装了一块巨型镜片,再发射激光,让光束在两块镜片之间往来穿梭,进而检测光束内的信号干扰,借此寻找引力波。

  终于,当宇宙深处的两个黑洞于约13亿年前碰撞所传送出的引力波扰动,在2015年9月14日抵达地球,被地球上的LIGO天文台的精密仪器侦测到。而研究人员当时并没有觉察,在大约半小时后才发现了这一惊人的现象。科学家花费数个月时间验证数据并通过审查程序,才宣布这个信息,标志着全球各地研究团队数十年努力的最高潮。

  众里寻它千百度。近一个世纪的求索后,人类终于聆听到宇宙深处的声音。引力波被直接探测到,成为宇宙暴胀和大爆炸理论的强烈证据,也让人类探索宇宙奥秘多了一项重要的工具,我们将以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。

  资助这项研究的美国国家科学基金会负责人柯多瓦表示:“如同伽利略首度把他的望眼镜指向天空,这项对天空的新观测,将会加深我们对宇宙的理解,引发超乎预料的发现。”

  不少物理学家指这发现堪称过去25年最重要的宇宙学成就,未来10年将深刻改变对宇宙的认识。德国马克斯·普朗克重力物理研究所物理学家艾伦表示:“首次发现重力波可稳夺诺贝尔奖。”

  英国著名天文物理学大师霍金也表示,他相信这是科学史上重要的一刻。他在接受英国广播公司(BBC)专访时表示:“引力波提供看待宇宙的崭新方式,发现它们的能力,有可能使天文学起革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统,是首度观察到黑洞融合。”“除了检验(爱因斯坦的)广义相对论,我们可以期待透过宇宙史看到黑洞。我们甚至可以看到宇宙大爆炸时期初期宇宙的遗迹、看到其一些最大的能量”,霍金说。

  中国力量助力探测

  其实,引力波并不是什么新鲜事物。按照爱因斯坦的理论,整个宇宙都一直沉浸在引力波中。在科幻文学作品和影视中,引力波也多次出现过。

  在电影《星际穿越》中,主人公Cooper通过引力波穿越时间和空间给女儿Murph传递了信息,正如有篇著名的影评所说:“能够穿越星际的,不止引力波,还有爱。”

  而在中国作家的笔下,引力波也早就被提及。

  世界华人科幻协会会长、北京师范大学教授吴岩在1981年还是一个高中学生时,就在《科幻世界》杂志上发表了一篇科幻小说,小说中这样写道:“遥控开关启动了引力波武器。真没想到,引力波武器还有这种说不出的能力。……他揉揉眼睛,望见陶博士正在绿色小屋里翻看着杂乱的陈设和引力波控制系统。”

  荣获2015年科幻文坛大奖“雨果奖”,由我国著名科幻作家刘慈欣创作的小说《三体》中,用到了大量的物理学设定,其中就有引力波。书中写道:“罗辑一家远远地就看到了引力波天线,但车行驶了半小时才到它旁边。这时他们才真正感受到它的巨大。” 在《三体》中,罗辑靠引力波天线与三体世界建立了恐怖平衡,拯救了危在旦夕的人类。

  实际上,《三体》的作者刘慈欣并不只在这一部作品中引入了引力波的概念。在他的另一篇科幻小说《朝闻道》中,引力波同样成为了在宇宙间传递信息的工具:人类接触到的高等宇宙文明,就是通过破译引力波,获得了宇宙终极问题的答案。

  当然,关注引力波的,并不只有中国作家。美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)成功探测到引力波,而在这耀眼的成功光环背后,是十多个国家、千余名研究人员的艰辛付出,这其中也不乏中国人的身影。

  2009年,清华大学被LIGO科学合作组织(LSC)接受为正式成员,也是目前中国大陆唯一的LSC成员。作为清华大学LIGO工作组负责人,清华大学信息技术研究院研究员、LSC理事会成员曹军威向媒体介绍,中国清华大学的科研团队应用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号,为最终成就了引力波探测的成功做出了突出贡献。

  中国没有失去机会

  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。但是LIGO这次的发现,会不会让中国人的期望再次落空呢?

  1971年杨振宁首次访华时,曾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。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。这是中国的引力波研究第一次被国际社会认可。

  不过遗憾的是,在探测引力波的道路上,当时中国没能系统性地坚持下去。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。此后,做引力波项目的人要么退休、要么转行,要么出国。

  这段空白造成的最大损失,是人才上的断层和工程技术发展的机会。

  好在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。

  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事,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。

  据悉,这项计划的部分关键技术研究已有具体进展,目前正在立项中。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20年的时间,投资大约150亿。

  就在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,是不是中国人就没有了机会?

  引力波论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院教授陈雁北表示,地面和天空探测是不同的波段,不同的波段会有不同现象,能看到不同的东西。如果考虑到地面已经探测到引力波,对于空间探测将是一个鼓励,“天琴计划”很可能会相比地面探测到的黑洞更大,可能看到星系中心大质量黑洞的并合过程,它们可以研究了解到宇宙早期星系演化的过程,这个是地面上探测不到的,因此“天琴计划”可以探测到更多新的信息,两个项目研究是完全没有矛盾的。

  西澳大利亚大学的戴维·布莱尔曾经这样说过,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。在2011年的一次香山科学会议上,与会的专家也认为,探测引力波工程,将可以催生不是一个而是一批诺贝尔奖。

  中山大学天文与空间科学研究院院长李淼表示,中国要做强国,在基础物理和航天方面一定要加大发展力度。中国现在发展那么快,在科研方向应该做出中国的贡献。

  “天琴计划”,仍大有可为。

  来源:新民周刊

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