為當(dāng)下點(diǎn)題,，更為將來點(diǎn)將,，引力波大科學(xué)裝置作為國(guó)之重器、超級(jí)工程,，面向科學(xué)技術(shù)前沿,，將為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)家安全和社會(huì)發(fā)展作出戰(zhàn)略性,、基礎(chǔ)性和前瞻性的貢獻(xiàn),，也會(huì)全面提升山西的科學(xué)地位和實(shí)力。
探索宇宙奧秘的地基引力波大科學(xué)裝置落戶山西
在不久前的全國(guó)兩會(huì)上,，一個(gè)關(guān)于申請(qǐng)“引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置”落地山西的建議提案,，格外引人矚目?！耙Σㄌ綔y(cè)大型地基觀測(cè)裝置”究竟是怎樣的前沿科技重器?
1915年,，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，這一革命性的時(shí)空引力理論帶來神奇的黑洞和宇宙大爆炸等諸多預(yù)言,，同時(shí)徹底革新了先前對(duì)時(shí)間與空間的理解,。廣義相對(duì)論認(rèn)為,，時(shí)空就像是一張巨大的橡皮膜,，有質(zhì)量的物體會(huì)使時(shí)空發(fā)生彎曲，而這彎曲了的時(shí)空，則會(huì)反過來告訴物體如何運(yùn)動(dòng),，引力波就是時(shí)空彎曲程度的波動(dòng),，由于它到達(dá)地球時(shí)已非常微弱，也被形容為“時(shí)空漣漪”,。直到引力波概念誕生100年后的2015年,，人類第一次通過高精度激光探測(cè)裝置捕捉到了它，為探索宇宙打開了一扇全新的窗口,。
山西將建設(shè)一座探測(cè)引力波大型地基觀測(cè)裝置,，這么前沿的科學(xué)如何跟山西結(jié)緣。山西地基引力波探測(cè)項(xiàng)目工作組組長(zhǎng),、山西大學(xué)教授賈鎖堂說：“引力波的直接探測(cè)是對(duì)宏觀世界進(jìn)行探測(cè),，通過探測(cè)能研究宇宙演化的規(guī)律，了解宇宙的運(yùn)動(dòng),?！鄙轿鞯鼗Σㄌ綔y(cè)項(xiàng)目總工程師、山西大學(xué)光電研究所教授鄭耀輝形象地把電磁波觀察宇宙的手段比作“看”,，把引力波觀察宇宙的手段比作“聽”,。如果既能“聽”又能“看”，就能了解宇宙更全面一些,。也有科學(xué)家把引力波的探測(cè)形容為觀察宇宙的第六感,。
從物理學(xué)的角度，與用電磁波“看”宇宙不同,，用引力波“聽”宇宙是當(dāng)今世界前沿科學(xué)課題,。工欲善其事，必先利其器,，那就需要建設(shè)一座堪稱科技重器的大科學(xué)裝置來收聽宇宙的脈動(dòng),，這正是山西在做的一件事。鄭耀輝告訴記者,，引力波探測(cè)大科學(xué)裝置是邁克爾遜干涉儀,，它有兩個(gè)相互垂直的干涉臂，但它又不是簡(jiǎn)單的邁克爾遜干涉儀,，它個(gè)頭非常大,，集成了全球最尖端的技術(shù)。它的真空度非常高,，是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的一百億分之一;它的激光器噪聲非常低,，是日常噪聲的十億分之一;它選用的光學(xué)鏡片損耗非常小，如果300萬(wàn)的光子打到鏡片上損耗僅一個(gè)光子;它的面形非常卓越,，要把一個(gè)直徑是50厘米的鏡片,，打磨到光潔度達(dá)到一個(gè)原子直徑的量級(jí),，它集最前沿技術(shù)于一身。賈鎖堂稱它是國(guó)之重器,，縱觀科學(xué)發(fā)展史上,，很多重要的物理事件的發(fā)現(xiàn)，重要的科學(xué)成果誕生,，都是在大科學(xué)裝置上完成的,。它是進(jìn)行基礎(chǔ)研究、交叉學(xué)科研究,、技術(shù)和工程研究的重要平臺(tái),，既彰顯國(guó)家的科技水平，又是吸引全人類的優(yōu)秀人才和一流科學(xué)家前來工作的重要基地,。
“重大突破科研儀器先行”,，這在全球科技界早已形成共識(shí)。瞄準(zhǔn)建造這樣的大科學(xué)裝置,，世界多國(guó)都有各具特色的引力波探測(cè)計(jì)劃,。目前，國(guó)際上用于探測(cè)引力波的大型探測(cè)器大致分為兩類,，一類是基于地面的地基引力波探測(cè)裝置,，比如，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO),、歐洲的室女座激光干涉引力波天文臺(tái)(Virgo),，它們被稱為“神雕俠侶”，二者聯(lián)合觀測(cè),、數(shù)據(jù)共享,，組成了引力波探測(cè)網(wǎng);另外還有日本的神岡引力波探測(cè)裝置(KAGRA)和印度正在興建的激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO-India)等。另一類是基于太空的天基引力波探測(cè)裝置,，主要有歐空局主導(dǎo)的激光干涉空間天線(LISA),，日本的分赫茲干涉引力波天文臺(tái)(DECIGO、B-DECIGO),。
目前國(guó)際上引力波探測(cè)呈現(xiàn)出什么特點(diǎn)?我國(guó)在這一領(lǐng)域現(xiàn)在是處于什么位置?中國(guó)科學(xué)院院士,、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所所長(zhǎng)蔡榮根介紹，目前國(guó)際上地基引力波探測(cè)裝置正在運(yùn)行的有美國(guó)LIGO,、歐洲Virgo和日本KAGRA,，印度正在準(zhǔn)備建設(shè)LIGO-India。第三代地基引力波探測(cè)裝置規(guī)劃中的有歐洲愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡ET,、美國(guó)宇宙勘探者CE,。空間引力波探測(cè),，歐洲和美國(guó)NASA正在進(jìn)行LISA項(xiàng)目,，預(yù)期2035年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星到太空探測(cè)空間引力波,。脈沖星測(cè)時(shí)陣列引力波探測(cè)，澳洲,、歐洲、美國(guó)各有一個(gè)項(xiàng)目,，還有一個(gè)國(guó)際聯(lián)合項(xiàng)目,。我國(guó)依托天眼可以探測(cè)納赫茲引力波。通過宇宙微波背景輻射來探測(cè)引力波,，我國(guó)部署了阿里項(xiàng)目,，正在積極推進(jìn)中?？臻g引力波探測(cè)項(xiàng)目,，我國(guó)有中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)的太極計(jì)劃、中山大學(xué)主導(dǎo)的天琴計(jì)劃,，第一代實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星都已經(jīng)發(fā)射成功,，正在積極推進(jìn)。此次山西大學(xué)部署地基引力波探測(cè),，正好填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這方面的空缺,，非常重要。
接入第三代地基引力波探測(cè)器建造,，會(huì)實(shí)現(xiàn)彎道超車
對(duì)接國(guó)家戰(zhàn)略需求,，山西積極推動(dòng)基于量子光源的引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置建設(shè)，目前已經(jīng)列入我省“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,，這項(xiàng)填補(bǔ)我國(guó)地面直接探測(cè)引力波空白的大科學(xué)裝置最終總體目標(biāo)將建造10公里左右的地下超長(zhǎng)地基引力波探測(cè)裝置;獲得相應(yīng)測(cè)試頻段的引力波探測(cè)事件;集聚約500人的研究隊(duì)伍,，帶動(dòng)山西乃至國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)科學(xué)研究和光機(jī)電產(chǎn)業(yè)。
山西的地基引力波探測(cè)器臂長(zhǎng)10公里,，這也是目前世界上準(zhǔn)備開建的最長(zhǎng)的引力波探測(cè)器,。鄭耀輝說：“目前在運(yùn)行的引力波探測(cè)器最長(zhǎng)的是美國(guó)的LIGO，臂長(zhǎng)是4公里,，我們認(rèn)為這個(gè)引力波探測(cè)器的靈敏度還不夠,，需要建設(shè)更靈敏的第三代引力波探測(cè)器。當(dāng)前,，國(guó)際上正處于第二代到第三代轉(zhuǎn)換過渡的關(guān)鍵時(shí)期,，如果我們介入第三代引力波探測(cè)器建造，我想會(huì)實(shí)現(xiàn)在引力波探測(cè)方面的彎道超車,。這既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn),，第二代到第三代的升級(jí)，要求真空度再提升一個(gè)數(shù)量級(jí),，激光器的噪聲再降低一個(gè)數(shù)量級(jí),，每一個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)難度已經(jīng)很高了,，若要把這幾個(gè)環(huán)節(jié)疊加起來的話，這真是難上加難的事情,，但是我們已經(jīng)做好準(zhǔn)備面對(duì)挑戰(zhàn),。”
地基引力波探測(cè)是量子前沿技術(shù)和宏觀尺度宇宙學(xué)研究的交匯點(diǎn),，建造這個(gè)國(guó)字號(hào)大科學(xué)裝置,，山西有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。量子光源是引力波裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一,，由于引力波探測(cè)器接收的信號(hào)非常微弱,，需要無(wú)限地降低系統(tǒng)可能產(chǎn)生的噪聲，此次應(yīng)用的量子光源系統(tǒng)的噪聲非常低,。山西大學(xué)光電研究所科研團(tuán)隊(duì)早在1992年就在全國(guó)第一個(gè)制備出量子光源,，近30年來，他們的研究成果一直處于世界領(lǐng)先水平,。地下300米左右的礦井巷道提供了建設(shè)引力波大科學(xué)裝置的理想環(huán)境,，山西擁有不少?gòu)U棄礦井巷道，而利用廢舊礦井建造基于量子光源的引力波探測(cè)大型地基觀測(cè)裝置,，能減少建造成本,，同時(shí)裝置受環(huán)境影響小。
大科學(xué)裝置對(duì)于國(guó)家而言,，是推動(dòng)相關(guān)研究向縱深發(fā)展,，彰顯國(guó)家科技實(shí)力的國(guó)之重器。山西若能有所作為,，相關(guān)研究必將代入到國(guó)際尖端研究行列當(dāng)中,。在國(guó)內(nèi)，各省區(qū)也在紛紛布局大科學(xué)裝置在本省區(qū)落地,，比如,，安徽全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置、貴州500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,，大科學(xué)裝置的落地,，會(huì)給當(dāng)?shù)貛碓鯓拥淖兓?鄭耀輝認(rèn)為，大科學(xué)裝置是最前沿技術(shù)集成,，在建設(shè)大科學(xué)裝置過程中,，它定會(huì)衍生出許許多多的前沿技術(shù)。比如,，貴州天眼建造過程中,，使用的懸索技術(shù)被成功運(yùn)用到港珠澳大橋的建設(shè)上。如果能將大科學(xué)裝置衍生出來的技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用,、國(guó)防應(yīng)用耦合起來,，產(chǎn)生的效益不可估量,。
下好“先手棋”，勇闖“無(wú)人區(qū)”,，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存
地基引力波大科學(xué)裝置是集多學(xué)科領(lǐng)域最高水平,、多種先進(jìn)技術(shù)交叉融合的復(fù)雜系統(tǒng)，要確保建設(shè)方案可行有效,，投入經(jīng)濟(jì)合理,，建成之后裝置能夠得到科學(xué)的利用，有哪些難題需要去破解?鄭耀輝認(rèn)為,，大科學(xué)裝置是多學(xué)科,、多種高精尖技術(shù)交叉的裝置,，單單依靠山西大學(xué)的力量完成起來有難度;大科學(xué)裝置建成后的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)更是偏向于工程學(xué)的課題,，雖然目前許多工作是在實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)遠(yuǎn)看,，還需要實(shí)驗(yàn)室成果有效地向工程運(yùn)用銜接和轉(zhuǎn)換,。賈鎖堂認(rèn)為，大科學(xué)裝置建成后,，要不斷進(jìn)行技術(shù)更新和升級(jí),，還要向更高的目標(biāo)去邁進(jìn)，運(yùn)行維護(hù)也是一個(gè)系統(tǒng)工程,，更需要科學(xué)地進(jìn)行管理,，才能把大科學(xué)裝置利用好。要想破解難題,，著力點(diǎn)放在哪里?蔡榮根給出建議,，必須結(jié)合國(guó)內(nèi)研究力量，也要積極吸引國(guó)際研究力量,，加強(qiáng)國(guó)際合作,，對(duì)地基引力波探測(cè)而言，畢竟歐美國(guó)家有更長(zhǎng)的研究歷史,，積累了許多豐富的經(jīng)驗(yàn),，積極吸引國(guó)際的優(yōu)秀力量來參與我國(guó)的引力波探測(cè)非常必要。
山西建設(shè)地基引力波大科學(xué)裝置是劃時(shí)代的科學(xué)進(jìn)步,?？纯匆呀?jīng)落地的地基引力波大科學(xué)裝置給生產(chǎn)生活帶來了什么變化?德國(guó)馬克斯-普朗克引力物理研究所研究助理劉見介紹，在德國(guó),，有一家名為Innoseis的公司,，利用LIGO-Virgo地面振動(dòng)傳感器的原理，為殼牌(Shell)公司研發(fā)了一款新的石油天然氣探測(cè)器,，相比原來昂貴笨重的探測(cè)器而言,，這款新的探測(cè)器體積更小,、質(zhì)量更輕、成本更低,，更加適合大規(guī)模采用,，這樣一來，殼牌公司節(jié)省近1億美元開采成本,，并且還能夠擴(kuò)大石油天然氣的探測(cè)范圍,。在英國(guó)的一個(gè)研究小組，利用給干細(xì)胞施加納米量級(jí)的微小震動(dòng)的方法,，促使干細(xì)胞朝成骨細(xì)胞的方向轉(zhuǎn)變,，它測(cè)量納米量級(jí)微小震動(dòng)的方法就使用到引力波探測(cè)中的激光技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)可以用來培育干細(xì)胞,，促進(jìn)骨骼再生,，用于治療肢體受損修復(fù)等。
沒想到,，大科學(xué)裝置衍生技術(shù)給生產(chǎn)生活會(huì)帶來如此巨大的影響,。賈鎖堂說：“大科學(xué)裝置建造的過程中，所催生的新技術(shù)都是難以預(yù)想,，難以預(yù)先判斷的,。正如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是高能物理的一個(gè)副產(chǎn)品，世界各國(guó)的高能物理學(xué)家利用高能加速器研究基本粒子時(shí),，衍生出信息交換技術(shù),，科學(xué)家逐步把寬帶、通信技術(shù),、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來,。所以我相信，通過引力波的探測(cè),，在大科學(xué)裝置的建設(shè)中,，也會(huì)催生出很多精彩的技術(shù)?！编嵰x感嘆,，許多技術(shù)創(chuàng)新是在前沿科學(xué)研究的驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)，創(chuàng)新后技術(shù)又會(huì)服務(wù)前沿科學(xué)研究,。他認(rèn)為,，進(jìn)行前沿科學(xué)研究的同時(shí)，應(yīng)積極和一些相關(guān)應(yīng)用對(duì)接,，把技術(shù)推廣到更多的國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域,，服務(wù)日常生活的方方面面。
本欄目?jī)?nèi)容源自山西衛(wèi)視“轉(zhuǎn)型進(jìn)行時(shí)”
本報(bào)記者沈佳
責(zé)任編輯： 吉政
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