中国引力波探测变数

　　当地时间2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布，人类探测到了由一个双黑洞系统合并产生的引力波。至此，整整一百年前爱因斯坦的预言最终被证实。

　　根据爱因斯坦在1916年提出的广义相对论，引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成，任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响，其作用的形式就是引力波。

　　世界科学界公认，引力波探测是难度最大的尖端科技之一，也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言，引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠。

　　随着公众对于引力波探测的关注日渐升温，中国的引力波探测计划也开始揭开面纱，其中既有通过高原地面观测站探测宇宙大爆炸产生的“原初引力波”的阿里计划，也有希望通过发射多颗探测卫星，到太空中捕获引力波的天琴计划和太极计划。

　　在2011年前的一次香山科学会议上，与会的专家认为，探测引力波工程，将可以催生不是一个，而是一批诺贝尔奖。

　　然而在LIGO确认发现引力波后，等于已经为两位创始人预定了诺贝尔奖，这让中国引力波探测项目的上马，陡增变数。毕竟，这样的项目需要巨大投资。一方面，引力波的发现，让中国引力波探测项目的科学目标更加明确；另一方面，这种投资耗资上百亿元、历时二三十年的巨型项目，产生的科学成果是否仍然具有突破性，成为一个未知数。

　　而且，对于分别预计投资150亿元和100亿元的天琴计划和太极计划来说，两者的科学目标和实现方式都非常类似。两个项目，中国或许只可能批准一个。

　　当然，在许多科学家看来，引力波的探测，打开了人类观察宇宙的新窗口。LIGO的发现，将是对其他探测项目的巨大促进。但是，对中国来说，不仅面临项目能不能上的问题，还面临上哪一个的问题。

中国尚未立项

　　从一百年前爱因斯坦提出广义相对论，全世界物理学家都致力于为它寻找实验上的证明。以LIGO项目为例，从上世纪60年代开始酝酿，到80年代开始申请，到1995年才开始正式建设，直到20年后，才最终发现了引力波，整个项目耗资超过20亿美元。

　　在中国，上世纪70年代，引力波探测被知名物理学家杨振宁称为“投钱少，有重大科学意义”的研究领域，曾经在中国引起热潮。上世纪70年代中山大学引力物理研究室建设常温共振型引力波天线，其测量灵敏度为当时国际同类引力波天线的最高水平之一。

　　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，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。这是中国引力波研究第一次被国际社会认可。

　　然而，中国的引力波研究后来出现了十余年的中断。在陈嘉言因实验事故去世后，后来的研究者影响力没那么大。

　　一位中国科学院高能物理研究所（下称高能所）专家说，因为中国当时提出“有所为，有所不为”的指导思想，引力波探测在中国被当作“不为”的部分完全放弃了，做引力波的人要么退休、要么转行，要么出国。

　　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，开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。

　　前文提及的香山科学会议上，与会的专家认为，探测引力波工程，将催生一批诺贝尔奖。遗憾的是，中国在具体的引力波探测项目上，至今仍然还没有立项。目前首先需要解答的问题，是建立一个类似LIGO的地面观测装置，还是一个类似LISA的空间观测装置。二者相比，后者的投资更大，可能上百亿元，好处是欧美国家至今还没有实现，中国有可能超越，而在地面装置上，虽然投资少，但其他国家已经做的很多，中国没有优势。

　　LISA计划是2000年欧洲空间局与美国国家航空航天局合作提出的，全称为激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna）计划，该计划要发射三颗卫星，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。科学家们希望能够借此测量出三颗卫星中的某一颗是否会因太空中的引力波而产生微弱的位置偏差，从而获得引力波存在的证据。

　　但是这一计划在筹备多年后，美国由于经费问题选择了退出，欧洲也出于节省经费，推出了一个缩小版的eLISA计划，原定2012年发射的第一颗实验卫星，直到2015年才刚刚发射。

　　中科院理论物理研究所研究员张元仲告诉财新记者，现在中国再做地面观测已无优势，因为美国已经有两个，澳大利亚、欧洲、日本都已经有了，中国不仅不可能赶超，追赶也不可能。而在空间观测上，虽然欧美国家也在准备，关键技术上中国也差两三个量级，如果能够早出来的话，即使数据精度低一两个量级，也是一个突破。

　　中国学者们的现实困扰，是不知道向哪个部门申请立项，因为中国没有一个像欧洲空间局、美国航空航天局那样的主管民用航天的机构。“不同人在不同场合跟不同的管理人员在鼓动，都得试着来。”张元仲说，现在各个单位都在推动，但是没有立项，经费不是一点点，需要一大笔钱。上百亿元，不是谁说一句话就能够解决的。

　　在他看来，美国的发现，肯定对中国的立项是一个激励。因为现在只是探测了一个波段，还有很多波段，可以拿来跟电磁波类比。只观察一个波段没法研究引力波，各个波段的特征和用途都不一样。而且美国科学家说他们探测到了引力波信号，但是还需要进一步的其他旁证；为此，需要做的后续工作很多。这也就激励了很多后续工作的开展。

　　LIGO项目的发言人加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela González）对财新记者表示：“事实上，对于有计划在太空探测引力波的国际研究力量，我们会尽量提供帮助。这并不是一场竞赛，太空中的设备与地面设备可以形成很好的互补，我们可以捕捉到引力波的不同波长。”

　　同电磁波一样，引力波也有不同的波段——涉及天体的质量越大的天文过程，产生的引力波频率越低。但LIGO是基于地面的引力波探测实验装置，由于受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响，无法探测低于低频的引力波。为此，包括中国在内的多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。

　　中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对财新记者表示，LIGO的发现仅仅是人类探测引力波的开端，引力波从此从理论上的存在变成了事实上的存在。引力波的发现，会进一步刺激各国的研究进度，世界各地的引力波研究计划将很快推进,中国本土研究的发展也会加快。

天琴与太极

　　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事，面向全球招募“千人”、“青年千人”、教授、副教授、讲师、研究员和博士后。

　　李淼透露，天琴计划将需要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。

　　根据他们的设想，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。

　　李淼教授介绍，完成全部四个子计划，大约需要20年的时间，投资大约150亿元。这一项目由中山大学校长罗俊院士主持。

　　而在LIGO探测到引力波的消息公布后，中国科学院在2月16日举行“空间引力波探测与研究”媒体见面会，中国科学院太极计划也浮出水面。这一计划就是中科院力学所的胡文瑞院士从2008年开始推动的引力波探测项目，得到了中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与。

　　经过几年的努力，目前这一计划已形成由中科院院士胡文瑞、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。

　　天琴计划和太极计划，看上去非常类似。中科院力学所国家微重力实验室副主任康琦告诉财新记者，最开始的时候，他和罗俊都是在胡文瑞院士的一个旗帜下一起做引力波探测的研究，而天琴计划，是后来罗俊到中山大学担任校长之后，另做起来的一个项目，得到了广东省珠海市政府的支持。

　　李淼教授透露，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。

　　两个项目的最终目标实际上没有太大区别，都是发射三颗卫星，在太空中探测引力波。只是在轨道高度上有区别，天琴计划是地球轨道，而太极计划是太阳轨道，后者高度更高，受到地球重力场的影响更小。

　　如果是地球高轨，发射和控制相对容易，但是毕竟是受到地球重力场的影响，太阳轨道上，基本就跟地球没有关系，物理上更好，但是技术上难度更大。

　　胡文瑞院士介绍，“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，2016年秋天将召开第三次双方科学家会议，完成双边合作的可行性报告。方案二是2033年前后发射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。届时，中国卫星组与eLISA卫星组同时在空间独立进行引力波探测，互相补充和检验测量结果。

　　如果第二个方案能够实施，中国将发射三颗卫星构成等边三角形，用激光干涉方法进行引力波的直接探测，可以覆盖地面装置无法探测的引力波中低频段。

　　“美国也不是只有一个站测到，一个站测到就不敢说对不对，两个站的可信度提高很多。”康琦说，两个站可以互相印证，不完全需要一模一样，只要是频段范围可以覆盖。

　　如果只是和欧空局合作，中方就需要承担eLISA整个成本的20%，目前估计eLISA项目的成本大约是10亿欧元。承担成本不是单纯出钱，准确来说是承担20%的任务，研发一部分关键的设备。康琦说，在中国做，可能2亿元人民币就够了。

　　当然如果选择第二个方案，就是接近20年的项目，从开始攻关，设备研制费用，到基础建设，整体上投资可能就要上百亿元。

　　张元仲告诉财新记者，太极计划前身就是2008年提出的建议书，而天琴计划是中山大学后来又提的一个方案。但是最终能不能立项以及如何立项，不是科学家能够解决的事情，需要国家确定。

　　但不管是天琴计划，还是太极计划，至今还都没有迈过立项的第一道门槛。

　　李淼介绍，中国目前在进行的引力波研究，主要还是胡文瑞等科学家将要参加的eLISA项目，而天琴项目还在进展中，还没能获得政府部门的立项，目前还不能确立未来的发展方向。

　　在2月16日的发布会上，胡文瑞表示太极计划一旦完成，将实现中国大型先进科学卫星计划的突破，并使中国成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。他透露，今年年底前会提交太极计划详细方案，报相关部门讨论审批。

发现引力波只是开始

　　虽然中国的引力波探测计划，从立项的角度上，还是一个未知数，但是从科学本身上看，实际上探测引力波的目的，并不只是验证广义相对论，其更加深远的意义在于引力波探测将为人类开启宇宙观测的全新窗口。有的科学家甚至把引力波的发现和电磁波的发现进行类比，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。

　　2004年加入美国麻省理工学院LIGO实验室的曹军威，现在是清华大学信息技术研究院研究员。他于2006年回到清华大学，在2009年左右创建了第一个来自中国的LIGO科学合作组织工作组。

　　曹军威对财新记者表示，从引力波探测来说，第一个发现本身当然是轰动性的，但是发现本身对这个学科不是结束而是开始，相当于打开了一个科学新窗口。“其实中国迟早是要做的，等到别人已经发现了，天天都能观测的时候，再建就更晚了。”

　　张元仲研究员也是类似的看法，虽然中国的项目什么时候立项，能不能立项，都很难说，但是这次美国的发现，对于决策层肯定是个促进，现在立项的可能性比一年前大多了。但是什么时候能够立项，不是科学家能够预测的。

　　“印度、日本、澳大利亚都有地面的探测装置，长远来说必须要做。不早追赶，将来就要落后，再追赶就难了。”张元仲说，“大家都在准备，做预先研究。经费哪里来，不是国家统一给，而是从各个渠道争取来的。”

　　目前，不管是天琴计划，还是太极计划，都从各个渠道争取了少量经费，进行前期的预研究。例如，天琴计划中的山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设已经启动，部分关键技术研究也已经有具体进展。

　　康琦告诉财新记者，实际上空间引力波探测所发展的卫星技术，还是有很多直接的应用。例如进行地球重力场探测。国防科工局对这方面也很重视，“十三五”的计划中，也把新一代重力场测量卫星列入其中。

　　空间引力波探测看似是一个虚无缥缈的宏大目标，但是实际上需要大量的技术积累和铺垫。2050年的中科院先导专项，包括了暗物质卫星、微重力卫星、量子通信卫星、硬X射线卫星，都是空间科学卫星，其中的微重力卫星就是力学所主导的，2016年4月，这颗卫星就将发射。

　　“再过几天，我们就要去发射场了。”康琦说。在他看来，现在不管是太极计划还是天琴计划，前期的研究都是基础性的，大家互相竞争，互相促进。这样也有利于多渠道去争取经费，科技部、工信部、基金委、地方政府等多家来做，前期的技术准备就更充分。10年之后，中国肯定不会把两个项目都上马，肯定是一家主导，哪个技术好，就会以一家为主导。

　　他认为，两家之间也没有矛盾，他们开会，我们也去捧场，互相支持，不是拆台。到立项的时候，肯定是有一个谁主导的问题，假如他们的更好，我们就配合。最终肯定有一个融合的过程，看谁发展得好，大家百花齐放，取长补短。

　　而张元仲的看法是，中国肯定只能支持一个，不一定就是天琴计划，也不一定就是太极计划，有可能是这两个或更多的计划联合体。中国本来相关的人员和技术储备就少，联合起来才是正道。

　　参与太极计划的中国科学院数学与系统科学研究院刘润球研究员也对财新记者表示，之前中国引力波研究的中断，很可惜，原因有很多，其中摊子铺得太大，要钱要得太多也是一个原因。如果技术可以分解细一点，先从应用上做起来，就不会是短期行为。把各种小的技术积累起来，再做一些大的事情。

　　“拿到大钱，反而是坏事。第一就是要交差，要花很多精力管钱。拿小钱的挣扎过程其实是一个健康的过程。”他说，诺贝尔奖是一种科研文化积累出来的，中国需要的不是一个诺贝尔奖，而是不断的诺贝尔奖。科学家需要一个好的科研文化土壤，需要尝试别人没有的工作，不是跟着别人走。

　　“这样也有利于建立人才队伍，做一定的技术储备。”刘润球说。在他看来，如果引力波探测这个科学目标能够实现，意义远比得到诺贝尔奖要大。■