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珠海砸3亿探秘引力波

时间:2016-05-10 11:08:36 来源:时代周报 评论:0 点击:0

  “所有人都感到了一阵强劲的振动,这振动似乎不是来自外部,而是自己的身体发出的,似乎每个人都变成了一根嗡嗡作响的琴弦。这死亡之琴只弹奏了12下就停止了,然后一切陷人寂静。在飞船外面,时空的薄膜在引力波中泛起一片涟漪,像风吹皱了暗夜中的湖面,对两个世界的死亡判决以光速传向整个宇宙。”

  在刘慈欣的成名作《三体》中,曾如此描述过引力波,但大刘如此下笔时,引力波还只是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

  今年2月,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)执行主任戴维·赖茨在华盛顿举行的记者会上宣布:“我们已经探测到引力波,我们找到它了。” 赖茨现场播放了引力波转化成的宇宙之声:那是一声清脆的“噗”,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒。

  此时,距离爱因斯坦的预言整整过去了100年,距离中国开启首个空间引力波探测的重大科研项目“天琴计划”刚刚7个月。

  美国人的发现并未停止中国人的步伐。

  3月20日,“天琴计划”在中山大学珠海校区正式启动第一期基础设施工程建设,中山大学校长罗俊长期从事引力的精密测量物理研究,是“天琴计划”的牵头者。

  对罗俊而言,珠海是继武汉之后,让他开始人生梦想的第二个城市。在当天的奠基仪式上,罗俊心情激动:“珠海有一把躺着的琴叫横琴,在空中有一把竖着的琴叫天琴,两琴已经使得珠海闻名于世。天琴找到了它应该待的地方,美妙至极、天作之合。”

  “天琴计划”的第一期基础设施工程项目众多,其中包括建造3万平方米的科研综合楼、1万平方米的山洞超静实验室,在凤凰山顶建造一所5000平方米的多功能观测台站及上山公路等。两个月不到,5月6日,中山大学天文与空间科学研究院院长李淼在接受时代周报记者采访时表示,目前“天琴计划”一期工程正在如期推进,超静实验室所用的山洞正在开挖。 “天琴计划”预计用20年时间完成四个阶段的建设。据李淼透露,总投资大约在100亿-200亿元之间。李淼向时代周报记者介绍说,目前“天琴计划”一期工程的资金“主要由珠海市政府投入,中山大学也出了一部分”。此后三阶段所需的资金,需在20年内逐步到位,“有可能筹集社会资金”。

  美妙的“天琴”

  在目前讨论的初步概念中,“天琴计划”将采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列,每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。三颗卫星在太空中的分列图类似乐器竖琴,故命名为“天琴计划”。

  李淼告诉时代周报记者,引力波方面的研究成果肯定会带动航天、激光物理、原子物理等方面的研究与产业发展,但需要一定的时间。具体而言,“天琴计划”可以探测到地球的重力场分布、水资源分布,但对许多报道中所说的能够探测矿产资源,李淼回应说并不能。

  1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。在爱因斯坦的广义相对论中,引力被认为是质量导致时空弯曲所产生的一种效应。在某些特定环境之下,这种时空弯曲能够以波的形式向外以光速传播,就像水面上的涟漪,这种现象被称为引力波。一些致密双星系统(白矮星,中子星和黑洞),被认为是可能性比较高的引力波探测源。

  直到20世纪70年代,人们才发明了一种可能精确探测到引力波的方法,即用激光干涉来测量。这也是今年2月宣布探测到引力波的科学组织LIGO所采用的方法。90年代,美国国家科学基金会资助了世界上第一个大规模的引力波探测项目,这就是LIGO。LIGO所用的两面探测镜,一个在华盛顿州的利文斯顿,一个在新泽西州的汉福德,可以探测到镜子10米-18的位置变化。2015年9月,LIGO正是利用这个装置成功探测到了由两个黑洞相撞引起的引力波。

  与LIGO相比,中国的“天琴计划”则是把“镜子”发射到了高空。罗俊曾向媒体这样介绍两者的区别:“天琴计划”探测低频段引力波,LIGO探测高频段引力波。“天琴”是对一个天文已经观测到的双星系统进行观测,探测的是连续的引力波,可以持续验证,而LIGO探测的是短时间的引力波。罗俊说,高频引力波大多是宇宙中更极端的事件,通常只有中子星或黑洞等大质量的天体相撞才能产生。宇宙中更多的天文事件并非这种极端事件,低频引力波反映出来的东西更多元更丰富。

  此外,LIGO是通过探测到的引力波信号反演推断存在两个黑洞的合并发生,但没有另外的独立方式进行确认。相比之下,“天琴计划”的引力波探测则有光学天文望远镜作为辅助手段对引力波源的存在进行确认。

  面向世界,落户珠海

  李淼对时代周报记者解释,“天琴计划”的难点主要在航天方面,包括在高度约10万公里的轨道上进行激光测距、把激光对准等。这些工作是花钱的大头,随着卫星的陆续发射,所需资金将会越来越多。目前,“天琴计划”已获珠海市政府3亿元的资金支持。

  对罗俊,李淼向时代周报记者评价这是一位“非常用功、非常严谨”的科学家。罗俊1982年毕业于华中工学院(今华中科技大学)物理学系,2015年,罗俊离开了担任常务副校长职位的华中科技大学,履新中山大学校长,“天琴计划”也由此落户岭南。

  2015年7月23日,中山大学就“天琴计划”发布招聘启事,面向全球招聘科研人才。负责猎头工作的李淼曾透露,整个“天琴计划”需要100人左右的教师团体,四五百人左右的研究、工程技术人员及博士后。其中,星间激光测距技术、无拖曳控制技术、月球激光测距技术、系统模拟与分析、卫星微推进技术等五个领域招聘团队负责人,年薪大约50万-100万人民币。

  在接受时代周报记者采访时,李淼透露,现在已经招到了几位老师,还有一些正在招聘进程当中。虽然到岗人数不多,但李淼认为“进度还算可以”,“与国际上的同类项目相比,‘天琴计划’在吸引人才方面有自己的长处,中国与珠三角的经济发展对人才都是有吸引力的。”

  面向世界招聘人才是否会影响科研的自主权?李淼表示完全不用担心。“到了中国就是属于我们的人,我们招的人就是属于中山大学的,不会存在说中山大学养着欧洲哪个单位的人。”此外,“天琴计划”还会自主培养一批人才。其中中山大学天文学院将在大约5年之内招收400名本科生、400名研究生。

  目前世界上最主要的引力波探测项目有美国的LIGO、法国和意大利的Virgo、德国的GEO600、欧洲航天局的eLISA和日本的TAMA300、KAGRA等。其中eLISA与“天琴计划”都是卫星探测项目,前者计划于2034年前发射完毕3颗卫星。李淼向时代周报记者表示,中国的“天琴计划”与eLISA会有交流,但不会有合作。

  事实上,有关引力波的研究历程中,很早就出现了中国人的声影。上世纪70年代初,中山大学物理系教授陈嘉言等科学家白手起家,寻找引力波。1976年,他们装起了引力波天线模拟系统,并取得了第一批实验数据。同年,国家科委和教育部把这项研究定为国家重点研究项目,批准建造专用实验室。

  1982年,陈嘉言教授逝世,此后由于人才队伍接续等问题,中国的引力波研究停滞多年。2008年,在中国科学院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,空间引力波探测工作组成立,引力波的中国研究重新开启。

  目前,除了中山大学的“天琴计划”,中科院的“太极计划”、“阿里计划”也在从事相关研究。此外,中国的一些科学家也参与了欧洲合作的空间引力波探测项目:清华大学的曹军威教授团队直接参与了LIGO的探测工作。

  就中国在引力波研究方面的实力,李淼肯定地对时代周报记者说:“中国的经济发展很快,科学水平发展得也很快。在引力波研究方面,我们刚刚起步,但是肯定会赶上来的。”