LIGO前負責人：中國空間引力波探測趕超歐美不難

　2016-10-19 21:28:18　來源: 澎湃新聞網(上海)

　　澎湃新聞特約撰稿 孔祥進 記者 虞涵棋 發自德國海德堡

　　愛因斯坦的廣義相對論提出百年之後，引力波這一「時空的漣漪」在今年2月11日終於由LIGO探測到，成為沸騰全球物理學界的里程碑事件。美國著名實驗物理學家、加州理工學院名譽教授Barry Barish，是LIGO項目的幕後英雄。當地時間10月13日，這位LIGO實驗組的前負責人、LIGO科學合作組織的創立者在德國接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專訪時表示，中國若要在引力波探測方面後來者居上，空間探測項目是個絕佳的機會。由於歐美目前在空間引力波探測方面進展緩慢，中國完全有機會趕上甚至超過歐美國家的科研進度。

　　在LIGO項目的初始和發展階段，這位鮮在媒體露面的物理學教授都扮演著重要角色。Barry Barish在1994年成為LIGO首席研究員，並於1997年至2005年間擔任LIGO實驗組負責人。值得一提的是，在其大力推動下，LIGO於1994年獲得了美國國家科學基金（NSF）的資金支持。Barry Barish本人也參與主導了兩個激光干涉引力波觀測台（LIGO）的建設。由其創立的LIGO科學合作組織，吸納了全球上千名科研人員參與其中。

　　

　　在LIGO項目的初始和發展階段，Barry Barish都扮演了重要角色。圖中最右為Barry Barish。

　　空間引力波探測：歐美進程緩慢，中國機遇絕佳

　　引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」。作為廣義相對論的重要預言，直到在上個世紀60年代，引力波的存在性也仍被不少物理學家質疑過。此後的漫長歲月里，幾代物理學家付出了無數努力，廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實，唯有神秘的引力波一直沒有被發現。

　　直到2016年2月11日，一扇前所未有的探索宇宙的新窗口被打開了：當天，LSC（LIGO科學合作組織，LIGO Scientific Collaboration）向全世界宣布：人類首次直接探測到了引力波，並且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與併合。這一引力波信號於世界協調時間2015年9月14日9:51(北京時間當天下午5:51分)，由分別位於路易斯安那州列文斯頓（Livingston,Louisiana）和華盛頓州漢福德（Hanford,Washington）的激光干涉引力波觀測台（LIGO）的一對探測器探測到。

　　

　　2016年2月11日，LSC向全世界宣布：人類首次直接探測到了引力波，並且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與併合。

　　考慮到LIGO在地面引力波探測上的領先優勢巨大，Barry Barish認為，現在許多國家單獨建立自己的地面引力波探測項目既不容易，也無必要。他說：「建設引力波探測項目涉及到很多方面的知識和技術，我們這麼多年走過來，知道這有多麼不容易。」同時，他表示LIGO在世界範圍內開放合作，如果別的國家現在想進入地面引力波探測領域，和LIGO合作可能是一個比較好的選擇。

　　

　　LIGO位於華盛頓Hanford的觀測點。  Caltech/MIT/LIGO Laboratory圖

　　目前，中國共有三個引力波探測計劃。「阿里實驗計劃」由中科院高能所發起，擬在位於中國阿里地區獅泉河鎮以南約20公里處、海拔5100米的山脊上建立引力波觀測站，利用西藏阿里地區高海拔的天然優勢，開展北半球首個搜尋原初引力波的望遠鏡計劃。

　　除了這一立足於地面的探測計劃外，中國還有「太極計劃」和「天琴計劃」兩個空間引力波探測計劃。

　　在「太極計劃」中，中國將在2030年前後發射引力波探測衛星組，進行中低頻波段引力波的直接探測。「天琴計劃」由中山大學發起，於2015年7月份正式啟動。中山大學天文與空間科學學院院長李淼曾在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）採訪時稱，「天琴計劃」基礎建設的一期工程可能會在兩三年內時間完成，二期基建的開工時間暫時未確定。在總體規劃上，「天琴計劃」預期執行期為2016-2035年，分為四階段實施，探測衛星將於2035年前後發射。該計劃的任務不僅用於探測空間的引力波，還將包括類似於精確測量地球重力場的任務。

　　對此，Barry Barish強調說，空間引力波探測是孕育著巨大機遇的領域，尤其對於新進入引力波探測領域的國家而言。他提到，由於NASA在哈勃太空望遠鏡的未來繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的研發上花費遠超預期，美國政府已無力支持再更多的太空項目，空間引力波項目也因此於五年前擱淺。目前，美國在這方面尋求與歐洲空間局的eLISA項目合作，但主要還是歐洲方面在主導。

　　Barry Barish對澎湃新聞說，他十分看好中國在空間探測領域的發展，「中國如果想在時間軸上與eLISA賽跑，甚至超過eLISA，並不困難。」

　　李淼此前告訴澎湃新聞，與國外早已開展的LISA和eLISA計劃，以及中國「太極計劃」不同的是，「天琴計劃」的衛星將在以地球為中心、高度約10萬公里的軌道上運行，LISA和eLISA計劃的衛星則是跟隨地球繞太陽運行。對此，Barry Barish認為，在地球軌道運行或許是個更好的選擇，因為「這能保證長期的穩定運行」。

　　「在科學上，欲成大事，必冒風險」

　　中國現有的空間引力波探測計劃投資巨大，且兩個空間計劃衛星發射時間大體相似。事實上，中國的引力波探測之路並非一帆風順。

　　1973年春，著名物理學家周培源教授發表了要重視基礎研究的文章，傳達了周恩來總理的聲音，要在中國物理學領域開拓關於引力波的研究。北京、廣州兩地的科學家積極響應，彼時中山大學物理學教授陳嘉言等人也決定參加引力波探測研究。隨後，陳嘉言在引力波方面做出了巨大的貢獻，並得到了國際的認可。

　　但是，後來由於科研的投入以及引力波科研環境的變化，大約在1998年至2008年間，中國對於引力波的探索一直處於空白狀態。2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院多個研究所及院外科研單位共同成立了科學院空間引力波探測工作組，才開始探索中國空間引力波探測的可行性。這一項目也被列入中科院空間科學2050年規劃。

　　Barry Barish認為，與過去相比，現在引力波探測項目想要拿到政府的扶持資金會容易得多，LIGO的成果徹底顛覆了這個領域的格局。

　　「LIGO那時候是個高風險的實驗性項目，我們也不能打包票我們一定能探測到什麼，前前後後花了十多億美元，最後可能是打水漂的。當然最後結局是好的。這表明，美國政府是樂意在科學方面冒險投資的。在科學上，欲成大事，必冒風險（Great science has to take risks）。」 Barry Barish稱，「國家科學基金二十年如一日堅持支持我們，這對政府來說並不容易。我認為其實引力波探測成功他們該記首功——我們科研人員只是在做本職工作而已，他們每年都在擔責任。」

　　Barry Barish甚至已經預見到未來這一領域的繁榮景象：「現在要想研究天文物理，肯定要發展引力波項目。」他認為，在未來數十年、甚至數百年裡，這個領域將會不斷出現新的成果，「它現在只是個新生兒而已。」

　　對於LIGO下一階段的工作內容，Barry Barish稱，LIGO會繼續探測由不同可能的信號源產生的不同類型的引力波信號，並由此增加對相關領域的理解：由雙系統（中子星、低質量黑洞）合併產生的信號；由中子星自轉、地殼形變產生的持續信號；由超新星核塌縮、宇宙弦產生的爆發性信號；還有一些隨機的信號——它們可能是由原初引力波造成的，也可能是其他一些信號的集合。但是，LIGO認為探測到原初引力波的可能性並不大。

　　除了LIGO前負責人外，Barry Barish還曾經擔任國際直線對撞機（International Linear Collider, ILC）的全球設計團隊負責人。擬議中的國際直線對撞機是一台超高能量的正負電子對撞機，精度超過大型強子對撞機（LHC），是一個大規模國際合作計劃項目，美國、歐洲和日本都在積極爭取成為該項目的落戶地。

　　Barry Barish透露，自己兩周后將來到中國，行程之一是訪問中科院高能所。屆時，他將與高能所討論中國的大型粒子對撞機建設計劃。