科学家探测到引力波 中大天琴计划将寻找宇宙弦音
羊城晚报
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微弱引力波掀起科学界“轩然大波”
2016年2月11日，距离1916年爱因斯坦预言引力波存在刚好100年。
这一天，LIGO（美国激光干涉引力波天文台）科学合作组宣布，探测到来自一个双黑洞并合事件的引力波。“引力波被探测到”这一话题，瞬间激起全世界网友和科学界人士刷屏讨论。
引力波最终探测成功，是基于全球科学家的共同努力和通力合作，这其中，也有中国科学家的参与。同时，中国的一些科研机构也正开展着相关研究，比如中山大学——既是中国引力波研究的先行者，也正走在探索的前沿。
羊城晚报记者 李钢 实习生 李婷 陈幸芝
A 为啥重要？
证实了广义相对论预言
对于大多数人来说，引力波还是一个非常陌生的概念。其实它是加速中的质量在时空中所产生的波动。通俗来讲，它就像时空的“涟漪”。爱因斯坦在1916年提出广义相对论说过，任何有质量物体的加速运动都会对周围的时空产生影响，这些由于质量造成的时空扭曲，形成引力，而其作用形式，就是引力波。
为什么探测到引力波那么重要？
清华大学LIGO工作组负责人曹军威及其团队在此次探测中以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号。他在接受羊城晚报记者采访时指出，引力波被直接探测到具有双重意义：从物理学的角度，是证实了爱因斯坦广义相对论的一个重要预言；从天文学的角度，是开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口，开创了引力波天文学的新时代。
探测机构LIGO负责人之一加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela González）说道：“我们现在不仅知道我们设备能够检测到引力波，还知道是一个双黑洞系统产生了引力波。也就是说，这次的发现意味着两个重大事件：一是此次的发现证实了设备的能力，另外还证实了双黑洞系统并合事件的存在。”
曹军威称，当前科学家甚至把引力波的发现类比电磁波的发现，或许对整个人类社会都是一次科技革命，引力波通讯也不是没有可能。
不过，把引力波的发现用于科幻迷们期待已久的时空穿越和星际通信，可能还需漫长的等待。
B 为啥难测？
爱因斯坦都认为无法探测
为什么这微弱的引力波会掀起科学界的“轩然大波”？甚至被科学家称之为惊喜？
从爱因斯坦预言引力波的存在，到现在LIGO直接探测到引力波，已经整整过去了100年，爱因斯坦本人就曾认为引力波太弱而无法被探测。
中山大学天文与空间科学研究院院长李淼在接受采访时对引力波探测难度做出解读——由于产生引力波的条件极其苛刻，人工手段很难产生能够被探测到的引力波，自然界中，相互绕转的紧凑双星系统、大质量天体的碰撞合并、超新星爆发等极端事件都能产生较强的引力波。但这类波源通常离地球很远，或者出现的机率很低，使得引力波的直接探测成为一个极具挑战的世纪难题。
谈及引力波的信息处理难度，曹军威透露，捕捉引力波的最大挑战在于LIGO数据的采样频率很高，达到每秒1.6万次以上，采样信道达上万个，数据量大，需要先进的计算机处理技术做支撑，提高数据处理效率，其团队将人工智能领域的核心“机器学习”方法用于加强引力波数据噪声分析。
曹军威认为，引力波的探测和数据分析还需要多学科背景的研究者联合工作，这也带动了光学、工程、计算机等多学科的前沿发展。曹军威说：“科学探索的需求一直是计算机技术发展的驱动力之一。LIGO项目对数据处理要求极高，对计算技术挑战很大，清华参与LIGO项目也是希望掌握第一手的应用需求，有的放矢地开展计算机应用研究。”
[“天琴”的前世今生]
过去：
引力波探测热潮一度中断
2015年7月，中山大学正式启动的“天琴计划”，其研究方向即为引力波，并且向全世界招募研究人员。不过，中山大学天文与空间科学研究院院长李淼表示，目前该项目还未获得政府立项，尚不能确定研究方向。
李淼向记者透露，“天琴计划”的出发点是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景，提出我国自主开展空间引力波探测的可行方案。
其实在1971年，杨振宁首次访华时就曾经告诉中科院高能所的专家，利用韦伯棒探测引力波，是一个“投钱少，有重大科学意义”的领域，不妨一试。当时不少国内的中国科学家马上行动了起来，引发过热潮。
1979年7月在意大利召开的第二届格拉斯曼广义相对论国际会议上，来自中山大学的陈嘉言教授在会上作了《北京—广州引力波探测》的报告，由于在引力波研究方面的贡献，被聘为会议顾问委员会委员，这是中国的引力波研究第一次被国际社会认可。
据广州大学天体物理中心的王洪光教授透露，当时业界提出这个想法后，考虑到钱和技术的问题，中山大学都是自己做仪器，但是最困难的是引力波信号通常很弱，因而没有得到重量级的成果。陈嘉言去世后，后来人也继续做着相关研究，但影响力没那么大，此后专家相继退休，研究引力波的人或出国或转行，在1988年就中断了这方面研究。
引力波模拟图
现在：
“天琴计划”还有进行必要吗？
LIGO已经探测到引力波了，那“天琴计划”还有意义吗？
引力波论文作者之一、LIGO科学合作组织核心成员、加州理工学院教授陈雁北在接受访谈时表示：“网上有人说发现引力波了，天琴计划是不是就不要搞了？这是非常错误的说法。因为地面和天空探测引力波是不一样的，不同的波段观测到的现象不同，观测到的是不同的东西，本身没有矛盾。”
“考虑到地面已经观测到引力波，这是对天空探测的一个鼓励。天琴计划可以探测更大的黑洞——很可能是星系中心这种更大质量黑洞的并合过程，研究宇宙早期星系形成演化过程，这是在地面探测不到的，天琴计划可以带来更多的信息。”陈雁北说道。
加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela González）表示，他们已对“天琴计划”有所了解，但“天琴计划”和此次LIGO发现引力波“并不是一场竞赛”。因为太空中的设备与地面的设备可以形成很好的互补，从而捕捉到引力波的不同波长。
在目前讨论的初步概念中，“天琴计划”将采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量，并将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。
未来：
“天琴”在珠海获3亿启动经费
李淼教授介绍说，最近几年，“天琴计划”的发展将以在中山大学珠海校区建设天琴计划综合研究设施为重要内容。
“我们将发展空间引力实验关键技术为导向，在引力理论与实验分析、卫星平台与控制、光学测量与遥感、地月系统物理实验四个方面展开系统研究，培育大科研团队。预期通过5年时间的发展，凝聚100人以上的科研队伍，同时积极向国家申请建立‘天琴计划国家重大科学工程基础设施项目’。”
李淼透露，预期建成以后可以使中山大学和珠海成为我国空间引力实验和其他空间精密测量物理的最重要研究中心。当前“天琴计划”综合设施的第一期工程包括30000平方米的天琴综合研究大楼、10000平方米的山洞超静实验室，位于南山山顶的5000平方米教学、科研、科普多功能观测站。目前珠海市政府已经答应投入约3亿元经费启动“天琴计划”基础建设，主要负责山洞实验室的挖掘、多功能观测站的站址土地平整和上山道路的修建。综合研究大楼、山洞超静实验室的洁净实验室工程、多功能观测站的基建工程以及各种仪器设备还需另寻资金支持。
另外李淼表示，当前“天琴计划”成员还在招聘中，珠海的超静实验室还在招标之中。
LIGO研究人员在关闭舱门抽制真空前检查光学部件 新华社发
他国
LIGO：由加州理工和麻省理工建造
LIGO天文台由美国国家科学基金资助，由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造、运行，而最终证实发现引力波，是多国科学家协作的成果。
LIGO科学合作组织包括GEO600组织、澳大利亚干涉引力天文协会等，意大利的VIRGO项目贡献了两台LIGO探测器的数据。而中国的清华大学团队提供的计算机软件程序在进行海量数据分析中做出了重要贡献。
最终，发现引力波的论文发表在物理评论快讯期刊，共有1004位署名作者，这其中包括广州天河中学毕业生罗家伦（详见2月16日羊城晚报报道）。
（王倩）
欧、日都有引力波探测计划
目前，除了美国的LIGO之外，国际上的引力波探测计划还包括意法合作的VIRGO、英德合作的GEO600、日本的TAMA300和LCGT工程。
2000年，欧洲航天局曾宣布，将与美国合作实施“激光干涉空间天线（LISA）”计划，发射3颗卫星，组成一个边长为500万公里的巨大三角形，它们之间以激光束相连，在太空中进行观测。
多年后，美国由于经费问题选择了退出，欧洲也出于节省经费的目的，推出了一个缩小版的eLISA计划，但原定2012年发射的第一颗实验卫星，已经被推迟到了2018年。
欧洲的eLISA计划之前进展缓慢，很大程度上是因为欧洲各国口径不一致，现在LIGO证实了引力波存在，eLISA探测进度会加快，李淼表示，引力波的发现，会进一步刺激各国的研究进度。
（王倩）
陈嘉言工作照
我国
国内先驱陈嘉言：工作中触电殉职
早在上世纪七十年代，中国就已经把引力波的研究定为国家重点研究项目，以中山大学为主要研究高校。
1969年，美国马里兰州立大学的J.Weber宣称：他已探测到不排除为引力波的信号。消息在中国也有了回应。1973年，北京中国科学院的王祝翔、秦荣先等人来到广州，商讨北京高能所和广州中山大学合作引力波探测研究。
此时，中大土生土长的物理人陈嘉言被委以重任。1973年陈嘉言从“英德干校”调回，领导重建基础实验室并开始了引力波实验的研究。
经过1973年—1976年的初期研究，1976年—1982年的攻关，中山大学大型常温引力波检测系统基本建成。1985年与美国斯坦福大学引力波检测器进行洲际距离符合实验，1987年，经过改进的引力波检测器通过了验收。
然而中国的引力波研究刚刚起步就遭受了沉重打击。1982年4月9日，一个沉痛的日子，记载在中大引力物理研究室的历史上——
刚从上海为即将召开的国际会议审稿回来的陈嘉言风尘仆仆，又马不停蹄地投入工作。中午12时，同事们下班了，陈嘉言一个人钻进了天线的真空罐中，不幸触电，因公殉职，年仅46岁。
中山大学对陈嘉言工作的评价是：“这些成果（引力波研究）都是陈嘉言所开拓工作的完善和延伸，没有陈嘉言以及他所领导的团队的工作基础，取得这些从一穷二白到国际水平的成果是不可想象的。”
北京大学原校长、中国科协主席、中国科学院学部委员、我国物理学界前辈周培源教授来函吊唁称：“这不仅是中山大学的重大损失、也是中国物理学界的重大损失。”（王倩）
天琴计划：将分四阶段实施
2015年7月23日，中国的引力波探测工程“天琴计划”开始启动。牵头这一计划的中山大学发布招聘启示，面向全球招募100人左右的教师团体，四五百人左右的研究、工程技术人员以及博士后。“天琴计划”以引力波研究为中心，该计划将开展空间引力波探测计划任务的预先研究，制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图，并开展关键技术研究。
根据此前的设想，“天琴计划”主要将分四阶段实施：第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施；第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。
据了解，完成全部四个子计划，大约需要20年的时间，投资大约150亿。（王倩）
“空间太极计划”媒体见面会 新华社发
空间太极计划：2030年前后发射探测星组
中国科学院16日公布了空间引力波探测与研究的“空间太极计划”。按照这一计划，我国将在2030年前后发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。
中科院力学研究所胡文瑞院士表示，“空间太极计划”涉及学科领域和前端技术广泛，需要发展空间超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器，以及超高精度卫星无拖曳控制等下一代高端空间技术，这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义，对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用。
“我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。”胡文瑞说，“空间太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案：方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划；方案二是发射一组中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空，进行低频引力波探测。
据介绍，空间引力波探测被列入中科院制订的空间2050年规划。2008年由中科院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，成立了中国科学院空间引力波探测论证组。经过几年的努力，目前已形成中科院院士胡文瑞、吴岳良为首席科学家的“空间太极计划”工作组，在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究上取得了诸多进展。 （新华社）
