【轉型進行時】引力波大科學裝置：聆聽宇宙的“耳朵”
爲當下點題，更爲將來點將，引力波大科學裝置作爲國之重器、超級工程，面向科學技術前沿，將爲國家經濟建設、國家安全和社會發展作出戰略性、基礎性和前瞻性的貢獻，也會全面提升山西的科學地位和實力。
探索宇宙奧秘的地基引力波大科學裝置落戶山西
在不久前的全國兩會上，一個關於申請“引力波探測大型地基觀測裝置”落地山西的建議提案，格外引人矚目。“引力波探測大型地基觀測裝置”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論，這一革命性的時空引力理論帶來神奇的黑洞和宇宙大爆炸等諸多預言，同時徹底革新了先前對時間與空間的理解。廣義相對論認爲，時空就像是一張巨大的橡皮膜，有質量的物體會使時空發生彎曲，而這彎曲了的時空，則會反過來告訴物體如何運動，引力波就是時空彎曲程度的波動，由於它到達地球時已非常微弱，也被形容爲“時空漣漪”。直到引力波概念誕生100年後的2015年，人類第一次通過高精度激光探測裝置捕捉到了它，爲探索宇宙打開了一扇全新的窗口。山西將建設一座探測引力波大型地基觀測裝置，這麼前沿的科學如何跟山西結緣。山西地基引力波探測項目工作組組長、山西大學教授賈鎖堂說：“引力波的直接探測是對宏觀世界進行探測，通過探測能研究宇宙演化的規律，瞭解宇宙的運動。”山西地基引力波探測項目總工程師、山西大學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”，就能瞭解宇宙更全面一些。也有科學家把引力波的探測形容爲觀察宇宙的第六感。從物理學的角度，與用電磁波“看”宇宙不同，用引力波“聽”宇宙是當今世界前沿科學課題。工欲善其事，必先利其器，那就需要建設一座堪稱科技重器的大科學裝置來收聽宇宙的脈動，這正是山西在做的一件事。鄭耀輝告訴記者，引力波探測大科學裝置是邁克爾遜干涉儀，它有兩個相互垂直的干涉臂，但它又不是簡單的邁克爾遜干涉儀，它個頭非常大，集成了全球最尖端的技術。它的真空度非常高，是標準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；它選用的光學鏡片損耗非常小，如果300萬的光子打到鏡片上損耗僅一個光子；它的面形非常卓越，要把一個直徑是50釐米的鏡片，打磨到光潔度達到一個原子直徑的量級，它集最前沿技術於一身。賈鎖堂稱它是國之重器，縱觀科學發展史上，很多重要的物理事件的發現，重要的科學成果誕生，都是在大科學裝置上完成的。它是進行基礎研究、交叉學科研究、技術和工程研究的重要平臺，既彰顯國家的科技水平，又是吸引全人類的優秀人才和一流科學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。瞄準建造這樣的大科學裝置，世界多國都有各具特色的引力波探測計劃。目前，國際上用於探測引力波的大型探測器大致分爲兩類，一類是基於地面的地基引力波探測裝置，比如，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲的室女座激光干涉引力波天文臺（Virgo），它們被稱爲“神鵰俠侶”，二者聯合觀測、數據共享，組成了引力波探測網；另外還有日本的神岡引力波探測裝置（KAGRA）和印度正在興建的激光干涉引力波天文臺（LIGO-India）等。另一類是基於太空的天基引力波探測裝置，主要有歐空局主導的激光干涉空間天線（LISA），日本的分赫茲干涉引力波天文臺（DECIGO、B-DECIGO）。目前國際上引力波探測呈現出什麼特點？我國在這一領域現在是處於什麼位置？中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所所長蔡榮根介紹，目前國際上地基引力波探測裝置正在運行的有美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA，印度正在準備建設LIGO-India。第三代地基引力波探測裝置規劃中的有歐洲愛因斯坦望遠鏡ET、美國宇宙勘探者CE。空間引力波探測，歐洲和美國NASA正在進行LISA項目，預期2035年前後發射三顆衛星到太空探測空間引力波。脈衝星測時陣列引力波探測，澳洲、歐洲、美國各有一個項目，還有一個國際聯合項目。我國依託天眼可以探測納赫茲引力波。通過宇宙微波背景輻射來探測引力波，我國部署了阿里項目，正在積極推進中。空間引力波探測項目，我國有中國科學院主導的太極計劃、中山大學主導的天琴計劃，第一代實驗衛星都已經發射成功，正在積極推進。此次山西大學部署地基引力波探測，正好填補了國內在這方面的空缺，非常重要。
接入第三代地基引力波探測器建造，會實現彎道超車
對接國家戰略需求，山西積極推動基於量子光源的引力波探測大型地基觀測裝置建設，目前已經列入我省“十四五”規劃重點建設項目，這項填補我國地面直接探測引力波空白的大科學裝置最終總體目標將建造10公里左右的地下超長地基引力波探測裝置；獲得相應測試頻段的引力波探測事件；集聚約500人的研究隊伍，帶動山西乃至國內相關學科基礎科學研究和光機電產業。山西的地基引力波探測器臂長10公里，這也是目前世界上準備開建的最長的引力波探測器。鄭耀輝說：“目前在運行的引力波探測器最長的是美國的LIGO，臂長是4公里，我們認爲這個引力波探測器的靈敏度還不夠，需要建設更靈敏的第三代引力波探測器。當前，國際上正處於第二代到第三代轉換過渡的關鍵時期，如果我們介入第三代引力波探測器建造，我想會實現在引力波探測方面的彎道超車。這既是機遇又是挑戰，第二代到第三代的升級，要求真空度再提升一個數量級，激光器的噪聲再降低一個數量級，每一個環節的技術難度已經很高了，若要把這幾個環節疊加起來的話，這真是難上加難的事情，但是我們已經做好準備面對挑戰。”地基引力波探測是量子前沿技術和宏觀尺度宇宙學研究的交匯點，建造這個國字號大科學裝置，山西有着得天獨厚的優勢。量子光源是引力波裝置的關鍵技術之一，由於引力波探測器接收的信號非常微弱，需要無限地降低系統可能產生的噪聲，此次應用的量子光源系統的噪聲非常低。山西大學光電研究所科研團隊早在1992年就在全國第一個製備出量子光源，近30年來，他們的研究成果一直處於世界領先水平。地下300米左右的礦井巷道提供了建設引力波大科學裝置的理想環境，山西擁有不少廢棄礦井巷道，而利用廢舊礦井建造基於量子光源的引力波探測大型地基觀測裝置，能減少建造成本，同時裝置受環境影響小。大科學裝置對於國家而言，是推動相關研究向縱深發展，彰顯國家科技實力的國之重器。山西若能有所作爲，相關研究必將代入到國際尖端研究行列當中。在國內，各省區也在紛紛佈局大科學裝置在本省區落地，比如，安徽全超導託卡馬克核聚變實驗裝置、貴州500米口徑球面射電望遠鏡，大科學裝置的落地，會給當地帶來怎樣的變化？鄭耀輝認爲，大科學裝置是最前沿技術集成，在建設大科學裝置過程中，它定會衍生出許許多多的前沿技術。比如，貴州天眼建造過程中，使用的懸索技術被成功運用到港珠澳大橋的建設上。如果能將大科學裝置衍生出來的技術和工業應用、國防應用耦合起來，產生的效益不可估量。
下好“先手棋”，勇闖“無人區”，機遇和挑戰並存
地基引力波大科學裝置是集多學科領域最高水平、多種先進技術交叉融合的複雜系統，要確保建設方案可行有效，投入經濟合理，建成之後裝置能夠得到科學的利用，有哪些難題需要去破解？鄭耀輝認爲，大科學裝置是多學科、多種高精尖技術交叉的裝置，單單依靠山西大學的力量完成起來有難度；大科學裝置建成後的長期運轉更是偏向於工程學的課題，雖然目前許多工作是在實驗室，長遠看，還需要實驗室成果有效地向工程運用銜接和轉換。賈鎖堂認爲，大科學裝置建成後，要不斷進行技術更新和升級，還要向更高的目標去邁進，運行維護也是一個系統工程，更需要科學地進行管理，才能把大科學裝置利用好。要想破解難題，着力點放在哪裡？蔡榮根給出建議，必須結合國內研究力量，也要積極吸引國際研究力量，加強國際合作，對地基引力波探測而言，畢竟歐美國家有更長的研究歷史，積累了許多豐富的經驗，積極吸引國際的優秀力量來參與我國的引力波探測非常必要。山西建設地基引力波大科學裝置是劃時代的科學進步。看看已經落地的地基引力波大科學裝置給生產生活帶來了什麼變化？德國馬克斯-普朗克引力物理研究所研究助理劉見介紹，在德國，有一家名爲Innoseis的公司，利用LIGO-Virgo地面振動傳感器的原理，爲殼牌（Shell）公司研發了一款新的石油天然氣探測器，相比原來昂貴笨重的探測器而言，這款新的探測器體積更小、質量更輕、成本更低，更加適合大規模採用，這樣一來，殼牌公司節省近1億美元開採成本，並且還能夠擴大石油天然氣的探測範圍。在英國的一個研究小組，利用給幹細胞施加納米量級的微小震動的方法，促使幹細胞朝成骨細胞的方向轉變，它測量納米量級微小震動的方法就使用到引力波探測中的激光技術，這項新技術可以用來培育幹細胞，促進骨骼再生，用於治療肢體受損修復等。沒想到，大科學裝置衍生技術給生產生活會帶來如此巨大的影響。賈鎖堂說：“大科學裝置建造的過程中，所催生的新技術都是難以預想，難以預先判斷的。正如互聯網技術是高能物理的一個副產品，世界各國的高能物理學家利用高能加速器研究基本粒子時，衍生出信息交換技術，科學家逐步把寬帶、通信技術、互聯網技術發展起來。所以我相信，通過引力波的探測，在大科學裝置的建設中，也會催生出很多精彩的技術。”鄭耀輝感嘆，許多技術創新是在前沿科學研究的驅動下出現，創新後技術又會服務前沿科學研究。他認爲，進行前沿科學研究的同時，應積極和一些相關應用對接，把技術推廣到更多的國民經濟領域，服務日常生活的方方面面。
本欄目內容源自山西衛視“轉型進行時”本報記者沈佳
(責編：李琳、劉洋)