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引力波大科学装置:聆听宇宙的“耳朵”

   日期:2021-04-07     来源:山西日报    浏览:438    评论:0    


核心提示:为当下点题,更为将来点将,引力波大科学装置作为国之重器、超级工程,面向科学技术前沿,将为国家经济建设、国家安全和社会发展作出战略性、基础性和前瞻性的贡献,也会全面提升山西的科学地位和实力。探索宇宙奥秘的地基引力波大科学装置落户山西在不久前的全国两会上,一个关于申请引力波探测大型地基观测装置落地山西的
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为当下点题,更为将来点将,引力波大科学装置作为国之重器、超级工程,面向科学技术前沿,将为国家经济建设、国家安全和社会发展作出战略性、基础性和前瞻性的贡献,也会全面提升山西的科学地位和实力。

探索宇宙奥秘的地基引力波大科学装置落户山西

在不久前的全国两会上,一个关于申请“引力波探测大型地基观测装置”落地山西的建议提案,格外引人瞩目。“引力波探测大型地基观测装置”究竟是怎样的前沿科技重器?

1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,这一革命性的时空引力理论带来神奇的黑洞和宇宙大爆炸等诸多预言,同时彻底革新了先前对时间与空间的理解。广义相对论认为,时空就像是一张巨大的橡皮膜,有质量的物体会使时空发生弯曲,而这弯曲了的时空,则会反过来告诉物体如何运动,引力波就是时空弯曲程度的波动,由于它到达地球时已非常微弱,也被形容为“时空涟漪”。直到引力波概念诞生100年后的2015年,人类第一次通过高精度激光探测装置捕捉到了它,为探索宇宙打开了一扇全新的窗口。

山西将建设一座探测引力波大型地基观测装置,这么前沿的科学如何跟山西结缘。山西地基引力波探测项目工作组组长、山西大学教授贾锁堂说:“引力波的直接探测是对宏观世界进行探测,通过探测能研究宇宙演化的规律,了解宇宙的运动。”山西地基引力波探测项目总工程师、山西大学光电研究所教授郑耀辉形象地把电磁波观察宇宙的手段比作“看”,把引力波观察宇宙的手段比作“听”。如果既能“听”又能“看”,就能了解宇宙更全面一些。也有科学家把引力波的探测形容为观察宇宙的第六感。

从物理学的角度,与用电磁波“看”宇宙不同,用引力波“听”宇宙是当今世界前沿科学课题。工欲善其事,必先利其器,那就需要建设一座堪称科技重器的大科学装置来收听宇宙的脉动,这正是山西在做的一件事。郑耀辉告诉记者,引力波探测大科学装置是迈克尔逊干涉仪,它有两个相互垂直的干涉臂,但它又不是简单的迈克尔逊干涉仪,它个头非常大,集成了全球最尖端的技术。它的真空度非常高,是标准大气压的一百亿分之一;它的激光器噪声非常低,是日常噪声的十亿分之一;它选用的光学镜片损耗非常小,如果300万的光子打到镜片上损耗仅一个光子;它的面形非常卓越,要把一个直径是50厘米的镜片,打磨到光洁度达到一个原子直径的量级,它集最前沿技术于一身。贾锁堂称它是国之重器,纵观科学发展史上,很多重要的物理事件的发现,重要的科学成果诞生,都是在大科学装置上完成的。它是进行基础研究、交叉学科研究、技术和工程研究的重要平台,既彰显国家的科技水平,又是吸引全人类的优秀人才和一流科学家前来工作的重要基地。

“重大突破科研仪器先行”,这在全球科技界早已形成共识。瞄准建造这样的大科学装置,世界多国都有各具特色的引力波探测计划。目前,国际上用于探测引力波的大型探测器大致分为两类,一类是基于地面的地基引力波探测装置,比如,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲的室女座激光干涉引力波天文台(Virgo),它们被称为“神雕侠侣”,二者联合观测、数据共享,组成了引力波探测网;另外还有日本的神冈引力波探测装置(KAGRA)和印度正在兴建的激光干涉引力波天文台(LIGO-India)等。另一类是基于太空的天基引力波探测装置,主要有欧空局主导的激光干涉空间天线(LISA),日本的分赫兹干涉引力波天文台(DECIGO、B-DECIGO)。

目前国际上引力波探测呈现出什么特点?我国在这一领域现在是处于什么位置?中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所所长蔡荣根介绍,目前国际上地基引力波探测装置正在运行的有美国LIGO、欧洲Virgo和日本KAGRA,印度正在准备建设LIGO-India。第三代地基引力波探测装置规划中的有欧洲爱因斯坦望远镜ET、美国宇宙勘探者CE。空间引力波探测,欧洲和美国NASA正在进行LISA项目,预期2035年前后发射三颗卫星到太空探测空间引力波。脉冲星测时阵列引力波探测,澳洲、欧洲、美国各有一个项目,还有一个国际联合项目。我国依托天眼可以探测纳赫兹引力波。通过宇宙微波背景辐射来探测引力波,我国部署了阿里项目,正在积极推进中。空间引力波探测项目,我国有中国科学院主导的太极计划、中山大学主导的天琴计划,第一代实验卫星都已经发射成功,正在积极推进。此次山西大学部署地基引力波探测,正好填补了国内在这方面的空缺,非常重要。

接入第三代地基引力波探测器建造,会实现弯道超车

对接国家战略需求,山西积极推动基于量子光源的引力波探测大型地基观测装置建设,目前已经列入我省“十四五”规划重点建设项目,这项填补我国地面直接探测引力波空白的大科学装置最终总体目标将建造10公里左右的地下超长地基引力波探测装置;获得相应测试频段的引力波探测事件;集聚约500人的研究队伍,带动山西乃至国内相关学科基础科学研究和光机电产业。

山西的地基引力波探测器臂长10公里,这也是目前世界上准备开建的最长的引力波探测器。郑耀辉说:“目前在运行的引力波探测器最长的是美国的LIGO,臂长是4公里,我们认为这个引力波探测器的灵敏度还不够,需要建设更灵敏的第三代引力波探测器。当前,国际上正处于第二代到第三代转换过渡的关键时期,如果我们介入第三代引力波探测器建造,我想会实现在引力波探测方面的弯道超车。这既是机遇又是挑战,第二代到第三代的升级,要求真空度再提升一个数量级,激光器的噪声再降低一个数量级,每一个环节的技术难度已经很高了,若要把这几个环节叠加起来的话,这真是难上加难的事情,但是我们已经做好准备面对挑战。”

地基引力波探测是量子前沿技术和宏观尺度宇宙学研究的交汇点,建造这个国字号大科学装置,山西有着得天独厚的优势。量子光源是引力波装置的关键技术之一,由于引力波探测器接收的信号非常微弱,需要无限地降低系统可能产生的噪声,此次应用的量子光源系统的噪声非常低。山西大学光电研究所科研团队早在1992年就在全国第一个制备出量子光源,近30年来,他们的研究成果一直处于世界领先水平。地下300米左右的矿井巷道提供了建设引力波大科学装置的理想环境,山西拥有不少废弃矿井巷道,而利用废旧矿井建造基于量子光源的引力波探测大型地基观测装置,能减少建造成本,同时装置受环境影响小。

大科学装置对于国家而言,是推动相关研究向纵深发展,彰显国家科技实力的国之重器。山西若能有所作为,相关研究必将代入到国际尖端研究行列当中。在国内,各省区也在纷纷布局大科学装置在本省区落地,比如,安徽全超导托卡马克核聚变实验装置、贵州500米口径球面射电望远镜,大科学装置的落地,会给当地带来怎样的变化?郑耀辉认为,大科学装置是最前沿技术集成,在建设大科学装置过程中,它定会衍生出许许多多的前沿技术。比如,贵州天眼建造过程中,使用的悬索技术被成功运用到港珠澳大桥的建设上。如果能将大科学装置衍生出来的技术和工业应用、国防应用耦合起来,产生的效益不可估量。

下好“先手棋”,勇闯“无人区”,机遇和挑战并存

地基引力波大科学装置是集多学科领域最高水平、多种先进技术交叉融合的复杂系统,要确保建设方案可行有效,投入经济合理,建成之后装置能够得到科学的利用,有哪些难题需要去破解?郑耀辉认为,大科学装置是多学科、多种高精尖技术交叉的装置,单单依靠山西大学的力量完成起来有难度;大科学装置建成后的长期运转更是偏向于工程学的课题,虽然目前许多工作是在实验室,长远看,还需要实验室成果有效地向工程运用衔接和转换。贾锁堂认为,大科学装置建成后,要不断进行技术更新和升级,还要向更高的目标去迈进,运行维护也是一个系统工程,更需要科学地进行管理,才能把大科学装置利用好。要想破解难题,着力点放在哪里?蔡荣根给出建议,必须结合国内研究力量,也要积极吸引国际研究力量,加强国际合作,对地基引力波探测而言,毕竟欧美国家有更长的研究历史,积累了许多丰富的经验,积极吸引国际的优秀力量来参与我国的引力波探测非常必要。

山西建设地基引力波大科学装置是划时代的科学进步。看看已经落地的地基引力波大科学装置给生产生活带来了什么变化?德国马克斯-普朗克引力物理研究所研究助理刘见介绍,在德国,有一家名为Innoseis的公司,利用LIGO-Virgo地面振动传感器的原理,为壳牌(Shell)公司研发了一款新的石油天然气探测器,相比原来昂贵笨重的探测器而言,这款新的探测器体积更小、质量更轻、成本更低,更加适合大规模采用,这样一来,壳牌公司节省近1亿美元开采成本,并且还能够扩大石油天然气的探测范围。在英国的一个研究小组,利用给干细胞施加纳米量级的微小震动的方法,促使干细胞朝成骨细胞的方向转变,它测量纳米量级微小震动的方法就使用到引力波探测中的激光技术,这项新技术可以用来培育干细胞,促进骨骼再生,用于治疗肢体受损修复等。

没想到,大科学装置衍生技术给生产生活会带来如此巨大的影响。贾锁堂说:“大科学装置建造的过程中,所催生的新技术都是难以预想,难以预先判断的。正如互联网技术是高能物理的一个副产品,世界各国的高能物理学家利用高能加速器研究基本粒子时,衍生出信息交换技术,科学家逐步把宽带、通信技术、互联网技术发展起来。所以我相信,通过引力波的探测,在大科学装置的建设中,也会催生出很多精彩的技术。”郑耀辉感叹,许多技术创新是在前沿科学研究的驱动下出现,创新后技术又会服务前沿科学研究。他认为,进行前沿科学研究的同时,应积极和一些相关应用对接,把技术推广到更多的国民经济领域,服务日常生活的方方面面。

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