人民政協(xié)報記者 呂巍
每一位父母,都難忘聽到孩子第一聲啼哭時的感動。
如何可以聽到宇宙的第一聲啼哭呢?
美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)在2016年2月11日宣布成功探測到由雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波,并毫無懸念地捧走諾貝爾獎之后,宇宙暴脹時期誕生的原初引力波成為了下一個追逐的焦點。
如果說引力波的發(fā)現(xiàn),完成了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖,那么原初引力波作為“宇宙的初啼”,則能幫我們檢驗各種宇宙起源和演化模型,從而改變?nèi)祟悓τ钪娴恼J(rèn)知,開啟天體物理學(xué)的一個全新時代。
“引力波,我們錯過一次就夠了!”全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院高能物理所研究員張新民說。
為了138億年前的那聲宇宙低語,以張新民為代表的科學(xué)家們忙碌在西藏阿里海拔5250米的高原上,站在世界屋脊聆聽宇宙的初啼。
“這會成為中國科學(xué)的典范,一個非常漂亮的典范。中國利用西藏這樣一個獨特的地理條件,建造一臺國際共享的設(shè)備。全世界都應(yīng)該知道中國在做這樣的事。”因?qū)IGO探測到引力波作出重大貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾獎的雷納·韋斯如是說。
用最高的望遠(yuǎn)鏡找尋最早的印記
記者:我們的宇宙已經(jīng)138億歲了。138億年前發(fā)出的一個聲音,今天我們想去探聽到它,聽著就是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情??梢杂米羁破盏恼Z言給我們介紹一下原初引力波嗎?
張新民:形象地說,原初引力波就是宇宙在誕生的時候突然喊了一聲,這個聲音一直消之不去,就像人們在大山里發(fā)出聲音,回聲一直在山谷中間回蕩一樣。宇宙的第一聲啼哭也會形成一個背景的聲音,一直在宇宙中存在。
隨著宇宙的演化不斷紅移,宇宙初啼的信號到了今天,已經(jīng)變得非常微弱,因此我們要用一種全新的探測手段,到宇宙中尋找一種古老的化石。這種古老的化石在空間中有一種特殊的分布,這個分布可能是由原初引力波造成的。只要能精確地測量化石在宇宙中的分布,就可以尋找原初引力波的蛛絲馬跡。
這種神秘的化石就是宇宙微波背景輻射光子,我們稱之為CMB光子,其中的B模式偏振就是原初引力波在宇宙微波背景輻射中留下可探測的印跡,而探測B模式偏振就是阿里計劃追尋的目標(biāo)。
記者:您剛才提到的全新的探測手段,指的是在高海拔地區(qū)建立觀測站嗎?
張新民:不同的引力波源產(chǎn)生的引力波頻段不同,最佳探測手段也不同。
探測原初引力波,尋找合適的觀測點非常重要。現(xiàn)在專家們的意見是,全球只有4個地方適合進(jìn)行CMB(宇宙微波背景輻射)探測:位于南半球的智利阿塔卡瑪沙漠、南極,以及位于北半球的格陵蘭島和我國西藏阿里。阿里觀測站地處海拔5000米以上的青藏高原地區(qū),地理環(huán)境優(yōu)勢、觀測氣象條件與配套基礎(chǔ)設(shè)施都具有很大優(yōu)勢。
有一流基地才會有機會
記者:阿里計劃目前的進(jìn)展如何?我國還有其他探測引力波的設(shè)備或方式嗎?
張新民:阿里原初引力波觀測計劃是2014年提出的,2016年得到中科院、國家自然科學(xué)基金委員會等單位的資助并正式啟動。2017年3月臺址基建動工,2018年11月竣工并通過驗收。目前,項目進(jìn)展順利,一期觀測倉已完工,預(yù)計2020年冬季便能開始觀測。
關(guān)于引力波的探測,我國一直是“天地兩路并進(jìn)”:天上的指的是太空探測引力波,包括中科院提出的“太極計劃”和由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”;地面探測引力波,則包括中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里計劃”探測原初引力波和國家天文臺主持的貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST項目,也就是“天眼”。
記者:您曾經(jīng)表示,錯過了引力波,我們不能再錯過探測原初引力波的重要窗口。但據(jù)我了解,無論在地面還是空間,中國的引力波探測項目均起步較晚,中國還有拔得頭籌的時間嗎?
張新民:的確,我們的探測項目起步較晚,但具有獨特地理優(yōu)勢的阿里為我們的研究開辟了一個新的窗口。
2017年諾獎得主、LIGO引力波探測功勛人物索恩曾經(jīng)預(yù)測,人類將在未來5至10年內(nèi)探測到原初引力波。這意味著,如果這臺北半球唯一、全球海拔最高的CMB觀測望遠(yuǎn)鏡如期建成,就能抓住歷史的時間窗。過去我們在引力波、宇宙學(xué)研究領(lǐng)域沒有與大國地位相稱的原創(chuàng)成果,主要就是因為欠缺相應(yīng)的研究基地和實驗觀測設(shè)備。
記者:在您看來,原初引力波實驗項目能否迅速展開,以阿里觀測站為代表的基地和設(shè)備是重要依托?
張新民:不僅是原初引力波的觀測,高能物理、天文學(xué)、宇宙學(xué)的研究,沒有觀測設(shè)備就是“無米之炊”。
不知道您是否有聽說,除了世界上最高的望遠(yuǎn)鏡,中國還有一個具有獨特地理優(yōu)勢的科研基地——錦屏地下實驗室。這是世界上最深的地下實驗室,它利用了為水電站修建的錦屏山隧道,其垂直巖石覆蓋達(dá)2400米。目前,來自上海交通大學(xué)和清華大學(xué)的兩個團(tuán)隊,正在其中開展暗物質(zhì)粒子實驗。
這兩個基地,聚焦的都是國際競爭激烈的基礎(chǔ)物理前沿領(lǐng)域。與引力波一樣,各國在暗物質(zhì)暗能量領(lǐng)域也正在開展“天上地下”的競爭。暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成了宇宙的95%,我們已知的可見宇宙物質(zhì)則只有5%。面對這樣宏大的課題,沒有一流的基地,原創(chuàng)研究就沒有持續(xù)性保障。
當(dāng)然,必須要承認(rèn),基礎(chǔ)研究特別是觀測和實驗方面的研究,是對自然界基本規(guī)律的探索,可能會成功,也可能會失敗。但是,只有有了一流的研究基地和設(shè)施,才有取得重大成果的機會。
原初引力波將帶來的改變你無法想象
記者:觀測方面的研究,可能會成功,也可能會失敗。那是否意味著,如果阿里計劃最后沒有探測到原初引力波,之前的所有投入將“打水漂”?
張新民:不能這么簡單理解。這是基礎(chǔ)研究的規(guī)律,也是科學(xué)探索的規(guī)律。2016年,因?qū)IGO探測到引力波作出重大貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾獎的巴里什也坦言,LIGO當(dāng)時是個高風(fēng)險的實驗性項目,他們也不能打包票一定能探測到什么。
我認(rèn)為,在科學(xué)上,欲成大事,必冒風(fēng)險。
記者:您把探測引力波稱為“大事”,“大”在哪里?引力波到底有什么用?
張新民:從技術(shù)層面上看,探測到它,就可以檢驗愛因斯坦引力理論,驗證宇宙起源和演化模型,如暴脹、反彈、循環(huán)等。一方面有利于研究早期宇宙動力學(xué)過程,另一方面也有助于推進(jìn)人們對量子引力這些基本物理問題的理解。
更重要的是,它開啟了一個新的時代,使粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)家們能夠利用一種全新的手段去探索宇宙創(chuàng)生和演化的奧妙。如果說,電磁波讓人類“看”得更遠(yuǎn),那么引力波將使人類聽到來自宇宙深處的低語。我們已經(jīng)有了眼睛,再生出兩個耳朵,就可以聽到更多來自宇宙深處的信號,可以更好地探究我們的世界。
雖然最新報道稱中國在發(fā)表論文數(shù)超過了美國,但重大原創(chuàng)成果缺乏,在國際上的影響力與我們這樣一個大國應(yīng)有的地位極其不相稱。我們需要像引力波探測這類大型科學(xué)裝置的研究項目來提升我國在科技領(lǐng)域的國際影響力。
記者:對百姓生活方面呢?是否會帶來改變?
張新民:在短時期內(nèi),引力波本身對人類的生活可能沒什么影響。但是由于引力波信號非常弱,探測引力波需要非常靈敏的儀器以及控制極低的噪聲,這些“附加”的技術(shù),比如激光、減震、數(shù)據(jù)處理等卻可以用于人類的生活。而在更遠(yuǎn)的將來,引力波為人類所用也是極有可能的。
沒有電磁波,就不可能有今日的手機通話。若干年后,引力波或許也會像電磁波一樣深入日常生活,電磁波技術(shù)的源頭一直由西方發(fā)達(dá)國家統(tǒng)治著。如今,我們不能再失掉引力波研究的機遇了。
記者:您所研究的領(lǐng)域是社會普遍了解較少的“冷點”項目,您覺得有沒有讓百姓了解國家重大工程項目的必要?作為政協(xié)委員,您已經(jīng)做了或者將為此做哪些工作?
張新民:讓百姓具體了解什么是宇宙微波背景輻射,什么是原初引力波意義不大,這本來就是科學(xué)家們的專業(yè)領(lǐng)域,讓科學(xué)家們潛心研究就好了。但對于我們?yōu)槭裁匆鲞@些基礎(chǔ)研究項目,這些研究將會給我們的生活、我們的國家、我們的未來帶來哪些變化卻是應(yīng)該讓百姓們了解和知道的。這樣才能讓全社會來理解和支持基礎(chǔ)研究,來推動科學(xué)的不斷發(fā)展。
作為政協(xié)委員,我每年兩會都會提交與基礎(chǔ)研究相關(guān)的提案,和科技界別的其他委員一起呼吁國家加大支持基礎(chǔ)研究的力度。我相信,借助政協(xié)的平臺,發(fā)揮政協(xié)委員聯(lián)系面廣、智力密集的特點,一定會在全社會凝聚起重視基礎(chǔ)研究的共識,為促進(jìn)我國科技的全面發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
編輯:付振強