首次揭秘:国之重器天琴引力波探测装置正在中国研发

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2018-04-05 05:40:43

自从多国科学家首次探测到引力波后,引力波在科学界引起的热潮一浪高过一浪。中国官方媒体央视近期首次揭秘了中国的引力波探测计划,罕见曝光了“天琴”计划的诸多细节,让人们看到了中国又一“国之重器”正在紧锣密鼓研发中。

引力波是一个不断产生惊喜的礼物,在全球科学界引发了广泛关注(图源:新华社)

走向前台的“天琴”引力波探测装置

百年前,爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在。根据爱因斯坦的相对论,宇宙中巨大的天体运动会让时空发生扭曲并像波浪一样传播,所谓引力波即是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪,宛如石头丢进水里产生的波纹。“引力波是一个不断产生惊喜的礼物”,2017年3名美国人即因引力波获得诺贝尔物理学奖。

美国《科学》杂志2017年12月21日公布了其评选的2017年十大科学突破,人类首次“看到”引力波事件当选头号突破。《科学》新闻编辑蒂姆•阿彭策勒(Tim Appenzel)向外界解释道,“观测到此类剧烈事件的完整图景有望带来天体物理学的变革。正是这一点,令今年的这个观测成为无可争议的2017年头号突破。”

诚然,2016年位于美国的LIGO项目团队宣布发现引力波的存在,为人类观察宇宙打开了全新的视野。而事实上,中国人为了聆听这种宇宙中最神秘的琴声,已经准备了三十多年。

北京时间2018年3月底,在中国广东珠海举行的一场研讨会公开了中国引力波探测项目“天琴”计划的最新研究进展。

据引力波探测“天琴”计划负责人、中国科学院院士罗俊介绍,“天琴”引力波探测装置是在距离地球约10万公里高的轨道上放三颗卫星,中间用激光联系起来。两星相距约17万公里,这意味着相距17万公里的两颗卫星,要测量出千万分之一头发直径的距离按照特定规律发生的变化。

当引力波过来,一边空间会拉伸,一边空间会收缩,这个拉伸距离只有皮米级(即一个原子的大小)。因此装置立体看仿若一个竖琴,而引力波是拨动琴弦的上帝之手,故而这个项目被名之为叫“天琴”。

据悉,未来将这样一套装置放在宇宙空间里,就能测量出时空变化。“天琴”计划将在2030年前后,发射3颗卫星,组成空间引力波观测系统,对宇宙中广泛存在的豪赫兹的中频引力波展开探测。

未来中国人探测引力波的关键技术

在实现利用激光测距进行深空与高轨卫星的精密定轨方面,中国“天琴”计划的第一步已经成功迈出。官方消息显示,2018年1月,“天琴”团队与中科院云南天文台激光测距团组合作,利用云南天文台1.2m望远镜激光测距系统,成功探测到Apollo15月面反射器返回的激光测距回波信号,在中国首次成功实现月球激光测距,为高轨卫星精密定轨奠定了技术基础。 而在该实验成功前,中国激光测距范围仅能达到4万公里,远不能满足“天琴”计划所需的10万公里距离要求。

“天琴”计划是未来中国人探测引力波的关键技术(图源:央视截图)

罗俊院士提出的“天琴”计划,是未来中国人探测引力波的关键技术之一。1983年,罗俊就来到湖北武汉华中科技大学喻家山底下的防空洞内进行引力的研究实验,随着研究进展的陆续公开,一些国际专家甚至将这座位于中国的防空洞誉为“世界引力的中心”。

基于物体间的引力极为微弱,实验装置必须做得极为精确,否则设备的误差就会把引力信号掩盖掉。严苛的要求,让引力测量一个试验仅准备就需要几年。公开报道批露,当时罗俊除了吃饭睡觉,其他的时间都在实验室里。持续的付出赢得了收获,1998年罗俊发表了牛顿万有引力常数测试结果,测量精度达到世界先进水平。

另据介绍,目前华中科技大学物理学院副院长涂良成正带领团队研发一台精密感受地球引力的仪器,未来它可以装在飞机上,从空中给地球做CT,探索地球的内部情况,还可以用来探测地底下的油气资源。

个人学术成就与国家战略的完美结合

数据显示,在全部200多个科技门类中,前沿科技领域中国已有十几个领先世界。2014年中国科技投入即达到了整个欧洲的56%,按照国家维度,中国科技资金投入目前仅次于美国,已成为世界第二大科技投入国。在研发经费占GDP比例方面,中国已与欧盟28国处于同一水平,并在世界主要科技国家中超过了英国。中国科技人才总量2014年为152.4万人,超过美国的125.3万人,仅次于欧盟28国176.2万,按照国家维度,中国的科技人才投入已列世界第一。 

中国领导人习近平在向全球直播的2018年新年贺词中,提到多项2017年中国科技创新、重大工程建设成果。他在新年贺词中指出:过去的一年,中国的“慧眼“卫星遨游太空,C919大型客机飞上蓝天,量子计算机研制成功,海水稻进行测产,首艘国产航母下水,“海翼”号深海滑翔机完成深海观测,首次海域可燃冰试采成功,洋山四期自动化码头正式开港,港珠澳大桥主体工程全线贯通,复兴号奔驰在中国广袤的大地上……并表示为中国人迸发出来的创造伟力喝彩。 

在这些尖端科学研究的背后,实际上彰显了中国科技尤其是基础科学研究当前所处的黄金时代。中国不断增强的国力为科学研究提供了一流物质基础,中国政府、整个社会对于基础科学的重视,更助推了基础科学的发展。 

而基础科学除了能带动一个国家的人才和技术的进步外,其本身对有追求的科学家而言亦有着不可抗拒的吸引力。正如罗俊院士所表示的,“人的天性有一个就是探索未知,越不清楚的地方越想去了解一下去知道。能把一件事做成世界上最好的结果,我很开心。” 对于科学家而言,个人学术成就若能与国家战略完美结合,那是一件幸福感超强的事情

前文提到的涂良成副院长在“天琴”项目上工作了8年,他带领研发的感受地球引力设备的精度做到了世界先进的水平,他向外界表示,希望再努力十五年,用国产设备把矿产资源这样的战略信息掌握在中国人自己的手里。这恰恰说明了,基础物理研究不仅可以获得学术成就,更可以满足国家战略实实在在的需求。

当下,中国科技发展正处于黄金时代,中国科技已在多个领域集体发力,大科技、互联网科技、军事科技诸多成果不断涌现,一系列重大科研突破集中亮相,科技创新发展已上升为中国的国家战略。

随着中国基础科学研究走向世界前沿,越来越多的人看到中国科技正迎来爆发期,中国已开始在空间站、卫星导航、量子通信、超导、新型核电站、核能利用、超级计算机、热核聚变、电磁弹射等领域领跑世界。而中国是否会如美国二战后一般迎来科技发展的井喷,东西方很多人正怀着不同心情拭目以待。

撰写:刘言

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