引力波大科學(xué)裝置：聆聽(tīng)宇宙的“耳朵”

為當(dāng)下點(diǎn)題，更為將來(lái)點(diǎn)將，引力波大科學(xué)裝置作為國(guó)之重器、超級(jí)工程，面向科學(xué)技術(shù)前沿，將為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)家安全和社會(huì)發(fā)展作出戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和前瞻性的貢獻(xiàn)，也會(huì)全面提升山西的科學(xué)地位和實(shí)力。

?探索宇宙奧秘的地基引力波大科學(xué)裝置落戶山西

在今年的全國(guó)兩會(huì)上，一個(gè)關(guān)于申請(qǐng)“引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置”落地山西的建議提案，格外引人矚目?！耙Σㄌ綔y(cè)大型地基觀測(cè)裝置”究竟是怎樣的前沿科技重器？

1915年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，這一革命性的時(shí)空引力理論帶來(lái)神奇的黑洞和宇宙大爆炸等諸多預(yù)言，同時(shí)徹底革新了先前對(duì)時(shí)間與空間的理解。廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)空就像是一張巨大的橡皮膜，有質(zhì)量的物體會(huì)使時(shí)空發(fā)生彎曲，而這彎曲了的時(shí)空，則會(huì)反過(guò)來(lái)告訴物體如何運(yùn)動(dòng)。引力波就是時(shí)空彎曲程度的波動(dòng)，由于它到達(dá)地球時(shí)已非常微弱，也被形容為“時(shí)空漣漪”。直到引力波概念誕生100年后的2015年，人類第一次通過(guò)高精度激光探測(cè)裝置捕捉到了它，為探索宇宙打開(kāi)了一扇全新的窗口。

山西將建設(shè)一座探測(cè)引力波大型地基觀測(cè)裝置，這么前沿的科學(xué)如何跟山西結(jié)緣。山西地基引力波探測(cè)項(xiàng)目工作組組長(zhǎng)、山西大學(xué)教授賈鎖堂說(shuō)：“引力波的直接探測(cè)是對(duì)宏觀世界進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)探測(cè)能研究宇宙演化的規(guī)律，了解宇宙的運(yùn)動(dòng)。”山西地基引力波探測(cè)項(xiàng)目總工程師、山西大學(xué)光電研究所教授鄭耀輝形象地把電磁波觀察宇宙的手段比作“看”，把引力波觀察宇宙的手段比作“聽(tīng)”。如果既能“聽(tīng)”又能“看”，就能了解宇宙更全面一些。也有科學(xué)家把引力波的探測(cè)形容為觀察宇宙的第六感。

從物理學(xué)的角度，與用電磁波“看”宇宙不同，用引力波“聽(tīng)”宇宙是當(dāng)今世界前沿科學(xué)課題。工欲善其事，必先利其器，那就需要建設(shè)一座堪稱科技重器的大科學(xué)裝置來(lái)收聽(tīng)宇宙的脈動(dòng)，這正是山西在做的一件事。鄭耀輝告訴記者，引力波探測(cè)大科學(xué)裝置是邁克爾遜干涉儀，它有兩個(gè)相互垂直的干涉臂，但它又不是簡(jiǎn)單的邁克爾遜干涉儀，它個(gè)頭非常大，集成了全球最尖端的技術(shù)。它的真空度非常高，是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的一百億分之一;它的激光器噪聲非常低，是日常噪聲的十億分之一;它選用的光學(xué)鏡片損耗非常小，如果300萬(wàn)的光子打到鏡片上損耗僅一個(gè)光子;它的面形非常卓越，要把一個(gè)直徑是50厘米的鏡片，打磨到光潔度達(dá)到一個(gè)原子直徑的量級(jí)，它集最前沿技術(shù)于一身。賈鎖堂稱它是國(guó)之重器，縱觀科學(xué)發(fā)展史上，很多重要的物理事件的發(fā)現(xiàn)，重要的科學(xué)成果誕生，都是在大科學(xué)裝置上完成的。它是進(jìn)行基礎(chǔ)研究、交叉學(xué)科研究、技術(shù)和工程研究的重要平臺(tái)，既彰顯國(guó)家的科技水平，又是吸引全人類的優(yōu)秀人才和一流科學(xué)家前來(lái)工作的重要基地。

“重大突破科研儀器先行”，這在全球科技界早已形成共識(shí)。瞄準(zhǔn)建造這樣的大科學(xué)裝置，世界多國(guó)都有各具特色的引力波探測(cè)計(jì)劃。目前，國(guó)際上用于探測(cè)引力波的大型探測(cè)器大致分為兩類，一類是基于地面的地基引力波探測(cè)裝置，比如，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）、歐洲的室女座激光干涉引力波天文臺(tái)（Virgo），它們被稱為“神雕俠侶”。二者聯(lián)合觀測(cè)、數(shù)據(jù)共享，組成了引力波探測(cè)網(wǎng);另外還有日本的神岡引力波探測(cè)裝置（KAGRA）和印度正在興建的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO-India）等。另一類是基于太空的天基引力波探測(cè)裝置，主要有歐空局主導(dǎo)的激光干涉空間天線（LISA）、日本的分赫茲干涉引力波天文臺(tái)（DECIGO、B-DECIGO）。

目前國(guó)際上引力波探測(cè)呈現(xiàn)出什么特點(diǎn)？我國(guó)在這一領(lǐng)域現(xiàn)在是處于什么位置？中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所所長(zhǎng)蔡榮根介紹，目前國(guó)際上地基引力波探測(cè)裝置正在運(yùn)行的有美國(guó)LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA，印度正在準(zhǔn)備建設(shè)LIGO-India。第三代地基引力波探測(cè)裝置規(guī)劃中的有歐洲愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡ET、美國(guó)宇宙勘探者CE?？臻g引力波探測(cè)，歐洲和美國(guó)NASA正在進(jìn)行LISA項(xiàng)目，預(yù)期2035年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星到太空探測(cè)空間引力波。脈沖星測(cè)時(shí)陣列引力波探測(cè)，澳洲、歐洲、美國(guó)各有一個(gè)項(xiàng)目，還有一個(gè)國(guó)際聯(lián)合項(xiàng)目。我國(guó)依托天眼可以探測(cè)納赫茲引力波。通過(guò)宇宙微波背景輻射來(lái)探測(cè)引力波，我國(guó)部署了阿里項(xiàng)目，正在積極推進(jìn)中?？臻g引力波探測(cè)項(xiàng)目，我國(guó)有中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)的太極計(jì)劃、中山大學(xué)主導(dǎo)的天琴計(jì)劃、第一代實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星都已經(jīng)發(fā)射成功，正在積極推進(jìn)。此次山西大學(xué)部署地基引力波探測(cè)，正好填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這方面的空缺，非常重要。

??接入第三代地基引力波探測(cè)器建造，會(huì)實(shí)現(xiàn)彎道超車

對(duì)接國(guó)家戰(zhàn)略需求，山西積極推動(dòng)基于量子光源的引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置建設(shè)，目前已經(jīng)列入我省“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，這項(xiàng)填補(bǔ)我國(guó)地面直接探測(cè)引力波空白的大科學(xué)裝置最終總體目標(biāo)將建造10公里左右的地下超長(zhǎng)地基引力波探測(cè)裝置;獲得相應(yīng)測(cè)試頻段的引力波探測(cè)事件;集聚約500人的研究隊(duì)伍，帶動(dòng)山西乃至國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)科學(xué)研究和光機(jī)電產(chǎn)業(yè)。

山西的地基引力波探測(cè)器臂長(zhǎng)10公里，這也是目前世界上準(zhǔn)備開(kāi)建的最長(zhǎng)的引力波探測(cè)器。鄭耀輝說(shuō)：“目前在運(yùn)行的引力波探測(cè)器最長(zhǎng)的是美國(guó)的LIGO，臂長(zhǎng)是4公里，我們認(rèn)為這個(gè)引力波探測(cè)器的靈敏度還不夠，需要建設(shè)更靈敏的第三代引力波探測(cè)器。當(dāng)前，國(guó)際上正處于第二代到第三代轉(zhuǎn)換過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，如果我們介入第三代引力波探測(cè)器建造，我想會(huì)實(shí)現(xiàn)在引力波探測(cè)方面的彎道超車。這既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，第二代到第三代的升級(jí)，要求真空度再提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，激光器的噪聲再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，每一個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)難度已經(jīng)很高了，若要把這幾個(gè)環(huán)節(jié)疊加起來(lái)的話，這真是難上加難的事情，但是我們已經(jīng)做好準(zhǔn)備面對(duì)挑戰(zhàn)?！?/p>