[科普中國]-中國的引力波探測還有意義嗎？

美國激光干涉引力波天文臺LIGO團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)引力波，堪稱是21世紀(jì)物理學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)。它的出現(xiàn)，甚至比2012年歐洲核子中心CERN發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子更加激動人心。在物理學(xué)各大領(lǐng)域都被量子理論占據(jù)的今天，它成了經(jīng)典物理最后的榮耀與豐碑。
引力波探測：幾十年上下求索
自從廣義相對論預(yù)言引力波之后不久，人們便開始追尋引力波。到今天，已經(jīng)度過了幾十個春秋。發(fā)現(xiàn)引力波有什么意義呢？大致有以下三方面。
首先，引力波探測證實(shí)了愛因斯坦以及合作者的預(yù)言，再一次驗(yàn)證了廣義相對論。
其次，就像電磁波和放射性現(xiàn)象一樣，引力波是人類了解這個宇宙的新窗口。引力波的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類進(jìn)入了一個新的時代，開創(chuàng)了人類了解世界的新方式。（1887年赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波時，誰能想象130年后，電磁波已經(jīng)走進(jìn)每個家庭。1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射線的時候，誰能想到現(xiàn)在每一家醫(yī)院都能留下核物理的足跡。）
再次，引力波可以提供宇宙發(fā)展演化的信息，有助于我們進(jìn)一步了解宇宙（諸位還記得2014年BICEP衛(wèi)星宣稱發(fā)現(xiàn)了原初引力波嗎？后來確定是來源于星際塵埃的干擾。原初引力波可以反映宇宙早期的性質(zhì)）。
20世紀(jì)60年代，美國馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家韋伯曾利用長2米、質(zhì)量為1噸的鋁筒進(jìn)行引力波探測，1968年甚至宣稱發(fā)現(xiàn)了引力波，但同行們卻無法重復(fù)他的結(jié)論。

后來人們利用邁克爾遜-莫雷干涉原理來探測引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀是利用兩束激光進(jìn)行干涉的裝置，當(dāng)兩束光的路程不一致時，便會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。通過觀察干涉條紋，便可進(jìn)行精確測距。歷史上，邁克爾遜和莫雷曾經(jīng)利用這樣的儀器發(fā)現(xiàn)了真空中的光速不變。

邁克爾遜-莫雷干涉儀

這次LIGO使用的堪稱豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀，只不過干涉臂換成了4km長的“跑道”。引力波是時空的漣漪。當(dāng)有引力波傳來時，彎曲的時空會使得4km長的跑道發(fā)生“形變”（拉長或壓縮）。利用激光束的干涉，可以精確地測量4km“跑道”上由引力波引起的長度變化。因?yàn)橐Σㄋa(chǎn)生的“形變”效果太微弱了，在10的負(fù)20次方量級，探測它們實(shí)在是難上加難。

LIGO引力波探測

100多年前，邁克爾遜—莫雷干涉儀的出現(xiàn)驗(yàn)證了光速不變；100多年后，LIGO團(tuán)隊(duì)用豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀觀測到了廣義相對論中的引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀為愛因斯坦厥功甚偉，愛因斯坦看到了今天這一幕，必會在陰間大擺筵席，與邁克爾遜和莫雷一醉方休?？梢姡恳粋€成功的理論物理學(xué)家背后，都有一批成功的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。
LIGO之后，還有歐洲的LISA（激光干涉空間天線），它是一個規(guī)劃中的引力波探測項(xiàng)目，利用三顆衛(wèi)星在天空中排成個三角形，衛(wèi)星上高精度的激光器彼此發(fā)射激光來進(jìn)行干涉。90年代歐洲人捉摸著，六十年代韋伯用鋁筒和鋁棒沒有能發(fā)現(xiàn)引力波，是因?yàn)榫炔粔?；LIGO用4km長的“干涉臂”，還沒有找到引力波，那必然是距離還不夠大。所以，我們用相隔成千上萬公里的衛(wèi)星，作為干涉臂，這下距離總夠了吧。

圖為LISA引力波探測計(jì)劃

中國引力波探測，是機(jī)會還是大坑？
自從二戰(zhàn)以后，各發(fā)達(dá)國家競相提出引力波探測計(jì)劃，而這方面，中國長期以來都是空白，這是一個巨大的遺憾。
很多人不看好中國引力波探測，認(rèn)為引力波已經(jīng)被LIGO團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了，中國再去搞什么天琴計(jì)劃，純屬多此一舉，既得不了諾貝爾獎，又沒有什么實(shí)際用途，只能為他人作嫁衣裳。
這里邊牽扯兩個問題。其一，LIGO發(fā)現(xiàn)引力波是否意味著引力波領(lǐng)域的主要工作已經(jīng)做完，只剩下殘羹冷炙，再無研究價值，更無獲得諾貝爾而獎的希望？其二，引力波探測技術(shù)是否是空中樓閣，毫無應(yīng)用價值？
引力波按頻率可以分為高頻、中頻和低頻三種，這次LIGO發(fā)現(xiàn)的是中頻部分的引力波。三種引力波的來源、性質(zhì)、探測手段并不完全相同。這些性質(zhì)上的差別決定了高頻、中頻和低頻引力波的應(yīng)用方向定會有很大差別（如果將來有一天引力波技術(shù)能走向應(yīng)用）。2014年，BICEP衛(wèi)星宣稱發(fā)現(xiàn)的是宇宙大爆炸早期的原初引力波，而這次LIGO發(fā)現(xiàn)的是兩黑洞融合產(chǎn)生的引力波，兩者又不相同?？梢姡Σú皇菃我坏?。并不表明LIGO發(fā)現(xiàn)了引力波，這個領(lǐng)域就塵埃落定了，就再也沒有其他人的事情了。君不見，電磁波產(chǎn)生了多少個諾貝爾獎，放射性產(chǎn)生了多少個諾貝爾獎，加速器和中微子產(chǎn)生了多少個諾貝爾獎，超導(dǎo)又產(chǎn)生了多少個諾貝爾獎。引力波是個巨大的寶庫，催生出多少諾貝爾獎，還未可知。
退一步說，即便LIGO之后，真的沒有可能得引力波的諾貝爾獎了，中國探測引力波是否毫無意義，我看也未必。在這里我們先不談引力波本身的應(yīng)用價值（因?yàn)橐Σū旧砭嚯x實(shí)際應(yīng)用還會有很長一段距離），只說說空間引力波探測技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用價值。像天琴計(jì)劃這樣的太空探測，需要對幾顆衛(wèi)星間的距離進(jìn)行精確測量，也需要對激光束進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)，還需要排除太空中各種背景的影響。它不僅會滿足引力波這樣的純科學(xué)探索，對于空間測距以及激光技術(shù)也是巨大的促進(jìn)。
從引力波探測看大科學(xué)裝置實(shí)驗(yàn)
一般來說，在科學(xué)研究中，別人做過的點(diǎn)子，你再做就沒什么意思了。但大科學(xué)裝置存在例外情況，因?yàn)榇髮W(xué)科裝置需要經(jīng)驗(yàn)，需要積累，需要傳承。一方面是科學(xué)上的，一方面是配套的工程技術(shù)上的。沒有小工程，沒有前期的工程基礎(chǔ)，很難在短時間內(nèi)建起像樣的大工程。因此，沒有前期基礎(chǔ)，僅憑某天的一個點(diǎn)子，一個機(jī)遇，就指望讓一個大裝置拔地而起，是不現(xiàn)實(shí)的。即便建起來，估計(jì)事故也不會少。因此，對于這類涉及大科學(xué)裝置的實(shí)驗(yàn)，能獨(dú)樹一幟固然很好，但也不是所有仿照別人的項(xiàng)目都沒有價值。
任何大科學(xué)裝置從投資到建設(shè)，從維護(hù)到升級，從運(yùn)行到分析，從采集第一個數(shù)據(jù)到發(fā)表最后的結(jié)果，都經(jīng)過了幾年甚至幾十年的崢嶸歲月。人們往往只能看到它們的成功，卻看不到它們背后的艱辛。
就比如LIGO團(tuán)隊(duì)，在他們從1991年啟動，經(jīng)過了升級和再升級之后，才有了今天的發(fā)現(xiàn)。里邊復(fù)雜的探測技術(shù)，各種精密儀器，不是一朝一夕就能完成的。而且大多數(shù)時間里，LIGO都一無所獲，扮演著失敗者的角色。以至于像我這樣的外緣人士，前幾年已不對LIGO抱有什么希望了，一心期望著LISA早日出來救市。
從九十年代至今的二十余年里，LIGO團(tuán)隊(duì)的花費(fèi)不下十億美金。在LIGO團(tuán)隊(duì)未成功的那些年代里，想必也曾飽受爭議，想必也曾受到這樣的諷刺：他們花了納稅人這么多錢，什么也沒探測到，真是一群廢物！
在2016年之前，對于引力波花落誰家，是美國的LIGO捷足先登，還是歐洲的LISA奪得桂冠，誰也無從知道。
科學(xué)的發(fā)現(xiàn)頗有些戲劇性，一人得道，雞犬升天。如今，LIGO搶了頭功，成為聞名天下的明星，盡可指點(diǎn)江山，激昂文字。而LISA出師未捷，便先聞噩耗，此刻LISA團(tuán)隊(duì)的研究者的心情可以用本山大叔小品中的臺詞來形容——我的心是哇涼哇涼的呀！
但決并非意味著LISA失去了存在的意義。如果說LIGO代表了中頻引力波探測的尖端，LISA則代表了低頻引力波探測的尖端，而且，LISA也有著一些LIGO沒有的技術(shù)。它們一個地面，一個太空一個中頻，一個低頻，遙相呼應(yīng)，熠熠生輝。未來，在浩淼的天空中，相信LISA終會有一席之地。
假如LISA和其它引力波探測項(xiàng)目因此自暴自棄，不再前進(jìn)，引力波領(lǐng)域就會被美國做大做強(qiáng)。我想，同樣的道理也適合于中國。中國的太空引力波探測，本來就比LISA起步晚，再畏縮不前，拿什么去和未來的LISA爭呢？