近期，山西對(duì)接國(guó)家戰(zhàn)略需求，正在積極推動(dòng)引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置建設(shè)，這項(xiàng)大科學(xué)裝置建設(shè)成功后將填補(bǔ)我國(guó)地面直接探測(cè)引力波技術(shù)空白。

探索宇宙奧秘的地基引力波大科學(xué)裝置落戶山西

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。

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。鄭耀輝說(shuō)，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。

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。

建造第三代地基引力波探測(cè)器，山西有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)

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)，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)。”

地基引力波探測(cè)是量子前沿技術(shù)和宏觀尺度宇宙學(xué)研究的交匯點(diǎn)，建造這個(gè)國(guó)字號(hào)大科學(xué)裝置，山西有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。量子光源是引力波裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于引力波探測(cè)器接收的信號(hào)非常微弱，需要無(wú)限地降低系統(tǒng)可能產(chǎn)生的噪聲，此次應(yīng)用的量子光源系統(tǒng)的噪聲非常低。山西大學(xué)光電研究所科研團(tuán)隊(duì)早在1992年就在全國(guó)第一個(gè)制備出量子光源，近30年來(lái)，他們的研究成果一直處于世界領(lǐng)先水平。地下300米左右的礦井巷道提供了建設(shè)引力波大科學(xué)裝置的理想環(huán)境，山西擁有不少?gòu)U棄礦井巷道，而利用廢舊礦井建造基于量子光源的引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置，能減少建造成本，同時(shí)裝置受環(huán)境影響小。

大科學(xué)裝置衍生技術(shù)可以給生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大的影響

鄭耀輝認(rèn)為，大科學(xué)裝置是多學(xué)科、多種高精尖技術(shù)交叉的裝置，單單依靠山西大學(xué)的力量完成起來(lái)有難度;大科學(xué)裝置建成后的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)更是偏向于工程學(xué)的課題，雖然目前許多工作是在實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)遠(yuǎn)看，還需要實(shí)驗(yàn)室成果有效地向工程運(yùn)用銜接和轉(zhuǎn)換。賈鎖堂認(rèn)為，大科學(xué)裝置建成后，要不斷進(jìn)行技術(shù)更新和升級(jí)，還要向更高的目標(biāo)去邁進(jìn)，運(yùn)行維護(hù)也是一個(gè)系統(tǒng)工程，更需要科學(xué)地進(jìn)行管理，才能把大科學(xué)裝置利用好。要想破解難題，著力點(diǎn)放在哪里?蔡榮根給出建議，必須結(jié)合國(guó)內(nèi)研究力量，也要積極吸引國(guó)際研究力量，加強(qiáng)國(guó)際合作，對(duì)地基引力波探測(cè)而言，畢竟歐美國(guó)家有更長(zhǎng)的研究歷史，積累了許多豐富的經(jīng)驗(yàn)，積極吸引國(guó)際的優(yōu)秀力量來(lái)參與我國(guó)的引力波探測(cè)非常必要。

山西建設(shè)地基引力波大科學(xué)裝置是劃時(shí)代的科學(xué)進(jìn)步?？纯匆呀?jīng)落地的地基引力波大科學(xué)裝置給生產(chǎn)生活帶來(lái)了什么變化?德國(guó)馬克斯-普朗克引力物理研究所研究助理劉見(jiàn)介紹，在德國(guó)，有一家名為Innoseis的公司，利用LIGO-Virgo地面振動(dòng)傳感器的原理，為殼牌(Shell)公司研發(fā)了一款新的石油天然氣探測(cè)器，相比原來(lái)昂貴笨重的探測(cè)器而言，這款新的探測(cè)器體積更小、質(zhì)量更輕、成本更低，更加適合大規(guī)模采用，這樣一來(lái)，殼牌公司節(jié)省近1億美元開(kāi)采成本，并且還能夠擴(kuò)大石油天然氣的探測(cè)范圍。在英國(guó)的一個(gè)研究小組，利用給干細(xì)胞施加納米量級(jí)的微小震動(dòng)的方法，促使干細(xì)胞朝成骨細(xì)胞的方向轉(zhuǎn)變，它測(cè)量納米量級(jí)微小震動(dòng)的方法就使用到引力波探測(cè)中的激光技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)可以用來(lái)培育干細(xì)胞，促進(jìn)骨骼再生，用于治療肢體受損修復(fù)等。

賈鎖堂說(shuō)：“大科學(xué)裝置建造的過(guò)程中，所催生的新技術(shù)都是難以預(yù)想，難以預(yù)先判斷的。正如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是高能物理的一個(gè)副產(chǎn)品，世界各國(guó)的高能物理學(xué)家利用高能加速器研究基本粒子時(shí)，衍生出信息交換技術(shù)，科學(xué)家逐步把寬帶、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來(lái)。所以我相信，通過(guò)引力波的探測(cè)，在大科學(xué)裝置的建設(shè)中，也會(huì)催生出很多精彩的技術(shù)。”鄭耀輝感嘆，許多技術(shù)創(chuàng)新是在前沿科學(xué)研究的驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)，創(chuàng)新后技術(shù)又會(huì)服務(wù)前沿科學(xué)研究。他認(rèn)為，進(jìn)行前沿科學(xué)研究的同時(shí)，應(yīng)積極和一些相關(guān)應(yīng)用對(duì)接，把技術(shù)推廣到更多的國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，服務(wù)日常生活的方方面面。(沈佳 記者 王海濱)

關(guān)鍵詞： 引力波大科學(xué)裝置