专访|LIGO前负责人:中国空间引力波探测赶超欧美并不难

澎湃新闻特约撰稿 孔祥进 见习记者 虞涵棋 发自德国海德堡

2016-10-19 20:19 来源:澎湃新闻

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爱因斯坦的广义相对论提出百年之后,引力波这一“时空的涟漪”在今年2月11日终于由LIGO探测到,成为沸腾全球物理学界的里程碑事件。美国著名实验物理学家、加州理工学院名誉教授Barry Barish,是LIGO项目的幕后英雄。当地时间10月13日,这位LIGO实验组的前负责人、LIGO科学合作组织的创立者在德国接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)专访时表示,中国若要在引力波探测方面后来者居上,空间探测项目是个绝佳的机会。由于欧美目前在空间引力波探测方面进展缓慢,中国完全有机会赶上甚至超过欧美国家的科研进度。
在LIGO项目的初始和发展阶段,这位鲜在媒体露面的物理学教授都扮演着重要角色。Barry Barish在1994年成为LIGO首席研究员,并于1997年至2005年间担任LIGO实验组负责人。值得一提的是,在其大力推动下,LIGO于1994年获得了美国国家科学基金(NSF)的资金支持。Barry Barish本人也参与主导了两个激光干涉引力波观测台(LIGO)的建设。由其创立的LIGO科学合作组织,吸纳了全球上千名科研人员参与其中。
在LIGO项目的初始和发展阶段,Barry Barish都扮演了重要角色。图中最右为Barry Barish。
空间引力波探测:欧美进程缓慢,中国机遇绝佳
引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。作为广义相对论的重要预言,直到在上个世纪60年代,引力波的存在性也仍被不少物理学家质疑过。此后的漫长岁月里,几代物理学家付出了无数努力,广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有神秘的引力波一直没有被发现。
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开了:当天,LSC(LIGO科学合作组织,LIGO Scientific Collaboration)向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波,并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。这一引力波信号于世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间当天下午5:51分),由分别位于路易斯安那州列文斯顿(Livingston,Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到。
2016年2月11日,LSC向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波,并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。
考虑到LIGO在地面引力波探测上的领先优势巨大,Barry Barish认为,现在许多国家单独建立自己的地面引力波探测项目既不容易,也无必要。他说:“建设引力波探测项目涉及到很多方面的知识和技术,我们这么多年走过来,知道这有多么不容易。”同时,他表示LIGO在世界范围内开放合作,如果别的国家现在想进入地面引力波探测领域,和LIGO合作可能是一个比较好的选择。
LIGO位于华盛顿Hanford的观测点。  Caltech/MIT/LIGO Laboratory 图
目前,中国共有三个引力波探测计划。“阿里实验计划”由中科院高能所发起,拟在位于中国阿里地区狮泉河镇以南约20公里处、海拔5100米的山脊上建立引力波观测站,利用西藏阿里地区高海拔的天然优势,开展北半球首个搜寻原初引力波的望远镜计划。
除了这一立足于地面的探测计划外,中国还有“太极计划”和“天琴计划”两个空间引力波探测计划。
在“太极计划”中,中国将在2030年前后发射引力波探测卫星组,进行中低频波段引力波的直接探测。“天琴计划”由中山大学发起,于2015年7月份正式启动。中山大学天文与空间科学学院院长李淼曾在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时称,“天琴计划”基础建设的一期工程可能会在两三年内时间完成,二期基建的开工时间暂时未确定。在总体规划上,“天琴计划”预期执行期为2016-2035年,分为四阶段实施,探测卫星将于2035年前后发射。该计划的任务不仅用于探测空间的引力波,还将包括类似于精确测量地球重力场的任务。
对此,Barry Barish强调说,空间引力波探测是孕育着巨大机遇的领域,尤其对于新进入引力波探测领域的国家而言。他提到,由于NASA在哈勃太空望远镜的未来继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜的研发上花费远超预期,美国政府已无力支持再更多的太空项目,空间引力波项目也因此于五年前搁浅。目前,美国在这方面寻求与欧洲空间局的eLISA项目合作,但主要还是欧洲方面在主导。
Barry Barish对澎湃新闻说,他十分看好中国在空间探测领域的发展,“中国如果想在时间轴上与eLISA赛跑,甚至超过eLISA,并不困难。”
李淼此前告诉澎湃新闻,与国外早已开展的LISA和eLISA计划,以及中国“太极计划”不同的是,“天琴计划”的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行,LISA和eLISA计划的卫星则是跟随地球绕太阳运行。对此,Barry Barish认为,在地球轨道运行或许是个更好的选择,因为“这能保证长期的稳定运行”。
“在科学上,欲成大事,必冒风险”
中国现有的空间引力波探测计划投资巨大,且两个空间计划卫星发射时间大体相似。事实上,中国的引力波探测之路并非一帆风顺。
1973年春,著名物理学家周培源教授发表了要重视基础研究的文章,传达了周恩来总理的声音,要在中国物理学领域开拓关于引力波的研究。北京、广州两地的科学家积极响应,彼时中山大学物理学教授陈嘉言等人也决定参加引力波探测研究。随后,陈嘉言在引力波方面做出了巨大的贡献,并得到了国际的认可。
但是,后来由于科研的投入以及引力波科研环境的变化,大约在1998年至2008年间,中国对于引力波的探索一直处于空白状态。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,才开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目也被列入中科院空间科学2050年规划。
Barry Barish认为,与过去相比,现在引力波探测项目想要拿到政府的扶持资金会容易得多,LIGO的成果彻底颠覆了这个领域的格局。
“LIGO那时候是个高风险的实验性项目,我们也不能打包票我们一定能探测到什么,前前后后花了十多亿美元,最后可能是打水漂的。当然最后结局是好的。这表明,美国政府是乐意在科学方面冒险投资的。在科学上,欲成大事,必冒风险(Great science has to take risks)。” Barry Barish称,“国家科学基金二十年如一日坚持支持我们,这对政府来说并不容易。我认为其实引力波探测成功他们该记首功——我们科研人员只是在做本职工作而已,他们每年都在担责任。”
Barry Barish甚至已经预见到未来这一领域的繁荣景象:“现在要想研究天文物理,肯定要发展引力波项目。”他认为,在未来数十年、甚至数百年里,这个领域将会不断出现新的成果,“它现在只是个新生儿而已。”
对于LIGO下一阶段的工作内容,Barry Barish称,LIGO会继续探测由不同可能的信号源产生的不同类型的引力波信号,并由此增加对相关领域的理解:由双系统(中子星、低质量黑洞)合并产生的信号;由中子星自转、地壳形变产生的持续信号;由超新星核塌缩、宇宙弦产生的爆发性信号;还有一些随机的信号——它们可能是由原初引力波造成的,也可能是其他一些信号的集合。但是,LIGO认为探测到原初引力波的可能性并不大。
除了LIGO前负责人外,Barry Barish还曾经担任国际直线对撞机(International Linear Collider, ILC)的全球设计团队负责人。拟议中的国际直线对撞机是一台超高能量的正负电子对撞机,精度超过大型强子对撞机(LHC),是一个大规模国际合作计划项目,美国、欧洲和日本都在积极争取成为该项目的落户地。
Barry Barish透露,自己两周后将来到中国,行程之一是访问中科院高能所。届时,他将与高能所讨论中国的大型粒子对撞机建设计划。
探索
我是国家天文台研究员苟利军,如何通过引力波发现黑洞和探索宇宙,问我吧!
苟利军 2016-10-08 479 进行中...
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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