為當下點(diǎn)題，更為將來(lái)點(diǎn)將，引力波大科學(xué)裝置作為國之重器、超級工程，面向科學(xué)技術(shù)前沿，將為國家經(jīng)濟建設、國家安全和社會(huì )發(fā)展作出戰略性、基礎性和前瞻性的貢獻，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(hù)山西

　　在不久前的全國兩會(huì )上，一個(gè)關(guān)于申請“引力波探測大型地基觀(guān)測裝置”落地山西的建議提案，格外引人矚目?！耙Σㄌ綔y大型地基觀(guān)測裝置”究竟是怎樣的前沿科技重器?

　　1915年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對論，這一革命性的時(shí)空引力理論帶來(lái)神奇的黑洞和宇宙大爆炸等諸多預言，同時(shí)徹底革新了先前對時(shí)間與空間的理解。廣義相對論認為，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(guò)來(lái)告訴物體如何運動(dòng)，引力波就是時(shí)空彎曲程度的波動(dòng)，由于它到達地球時(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(lèi)第一次通過(guò)高精度激光探測裝置捕捉到了它，為探索宇宙打開(kāi)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(guān)測裝置，這么前沿的科學(xué)如何跟山西結緣。山西地基引力波探測項目工作組組長(cháng)、山西大學(xué)教授賈鎖堂說(shuō)：“引力波的直接探測是對宏觀(guān)世界進(jìn)行探測，通過(guò)探測能研究宇宙演化的規律，了解宇宙的運動(dòng)?！鄙轿鞯鼗Σㄌ綔y項目總工程師、山西大學(xué)光電研究所教授鄭耀輝形象地把電磁波觀(guān)察宇宙的手段比作“看”，把引力波觀(guān)察宇宙的手段比作“聽(tīng)”。如果既能“聽(tīng)”又能“看”，就能了解宇宙更全面一些。也有科學(xué)家把引力波的探測形容為觀(guān)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(tīng)”宇宙是當今世界前沿科學(xué)課題。工欲善其事，必先利其器，那就需要建設一座堪稱(chēng)科技重器的大科學(xué)裝置來(lái)收聽(tīng)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(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，打磨到光潔度達到一個(gè)原子直徑的量級，它集最前沿技術(shù)于一身。賈鎖堂稱(chēng)它是國之重器，縱觀(guān)科學(xué)發(fā)展史上，很多重要的物理事件的發(fā)現，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)行基礎研究、交叉學(xué)科研究、技術(shù)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(lèi)的優(yōu)秀人才和一流科學(xué)家前來(lái)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(xué)裝置，世界多國都有各具特色的引力波探測計劃。目前，國際上用于探測引力波的大型探測器大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于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(chēng)為“神雕俠侶”，二者聯(lián)合觀(guān)測、數據共享，組成了引力波探測網(wǎng);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(lèi)是基于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(xiàn)(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么特點(diǎn)?我國在這一領(lǐng)域現在是處于什么位置?中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理論物理研究所所長(cháng)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(ài)因斯坦望遠鏡ET、美國宇宙勘探者CE?？臻g引力波探測，歐洲和美國NASA正在進(jìn)行LISA項目，預期2035年前后發(fā)射三顆衛星到太空探測空間引力波。脈沖星測時(shí)陣列引力波探測，澳洲、歐洲、美國各有一個(gè)項目，還有一個(gè)國際聯(lián)合項目。我國依托天眼可以探測納赫茲引力波。通過(guò)宇宙微波背景輻射來(lái)探測引力波，我國部署了阿里項目，正在積極推進(jìn)中?？臻g引力波探測項目，我國有中國科學(xué)院主導的太極計劃、中山大學(xué)主導的天琴計劃，第一代實(shí)驗衛星都已經(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，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(huì )實(shí)現彎道超車(chē)

　　對接國家戰略需求，山西積極推動(dòng)基于量子光源的引力波探測大型地基觀(guān)測裝置建設，目前已經(jīng)列入我省“十四五”規劃重點(diǎn)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(xué)裝置最終總體目標將建造10公里左右的地下超長(cháng)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(dòng)山西乃至國內相關(guān)學(xué)科基礎科學(xué)研究和光機電產(chǎn)業(yè)。

　　山西的地基引力波探測器臂長(cháng)10公里，這也是目前世界上準備開(kāi)建的最長(cháng)的引力波探測器。鄭耀輝說(shuō)：“目前在運行的引力波探測器最長(cháng)的是美國的LIGO，臂長(cháng)是4公里，我們認為這個(gè)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，國際上正處于第二代到第三代轉換過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，如果我們介入第三代引力波探測器建造，我想會(huì )實(shí)現在引力波探測方面的彎道超車(chē)。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(gè)數量級，激光器的噪聲再降低一個(gè)數量級，每一個(gè)環(huán)節的技術(shù)難度已經(jīng)很高了，若要把這幾個(gè)環(huán)節疊加起來(lái)的話(huà)，這真是難上加難的事情，但是我們已經(jīng)做好準備面對挑戰?！?/p>

　　地基引力波探測是量子前沿技術(shù)和宏觀(guān)尺度宇宙學(xué)研究的交匯點(diǎn)，建造這個(gè)國字號大科學(xué)裝置，山西有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢。量子光源是引力波裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于引力波探測器接收的信號非常微弱，需要無(wú)限地降低系統可能產(chǎn)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(xué)光電研究所科研團隊早在1992年就在全國第一個(gè)制備出量子光源，近30年來(lái)，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引力波大科學(xué)裝置的理想環(huán)境，山西擁有不少廢棄礦井巷道，而利用廢舊礦井建造基于量子光源的引力波探測大型地基觀(guān)測裝置，能減少建造成本，同時(shí)裝置受環(huán)境影響小。

　　大科學(xué)裝置對于國家而言，是推動(dòng)相關(guān)研究向縱深發(fā)展，彰顯國家科技實(shí)力的國之重器。山西若能有所作為，相關(guān)研究必將代入到國際尖端研究行列當中。在國內，各省區也在紛紛布局大科學(xué)裝置在本省區落地，比如，安徽全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置、貴州500米口徑球面射電望遠鏡，大科學(xué)裝置的落地，會(huì )給當地帶來(lái)怎樣的變化?鄭耀輝認為，大科學(xué)裝置是最前沿技術(shù)集成，在建設大科學(xué)裝置過(guò)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(guò)程中，使用的懸索技術(shù)被成功運用到港珠澳大橋的建設上。如果能將大科學(xué)裝置衍生出來(lái)的技術(shù)和工業(yè)應用、國防應用耦合起來(lái)，產(chǎn)生的效益不可估量。

　　下好“先手棋”，勇闖“無(wú)人區”，機遇和挑戰并存

　　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)交叉融合的復雜系統，要確保建設方案可行有效，投入經(jīng)濟合理，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(lái)有難度;大科學(xué)裝置建成后的長(cháng)期運轉更是偏向于工程學(xué)的課題，雖然目前許多工作是在實(shí)驗室，長(cháng)遠看，還需要實(shí)驗室成果有效地向工程運用銜接和轉換。賈鎖堂認為，大科學(xué)裝置建成后，要不斷進(jìn)行技術(shù)更新和升級，還要向更高的目標去邁進(jìn)，運行維護也是一個(gè)系統工程，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(zhù)力點(diǎn)放在哪里?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(cháng)的研究歷史，積累了許多豐富的經(jīng)驗，積極吸引國際的優(yōu)秀力量來(lái)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(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(lái)了什么變化?德國馬克斯-普朗克引力物理研究所研究助理劉見(jiàn)介紹，在德國，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器，相比原來(lái)昂貴笨重的探測器而言，這款新的探測器體積更小、質(zhì)量更輕、成本更低，更加適合大規模采用，這樣一來(lái)，殼牌公司節省近1億美元開(kāi)采成本，并且還能夠擴大石油天然氣的探測范圍。在英國的一個(gè)研究小組，利用給干細胞施加納米量級的微小震動(dòng)的方法，促使干細胞朝成骨細胞的方向轉變，它測量納米量級微小震動(dòng)的方法就使用到引力波探測中的激光技術(shù)，這項新技術(shù)可以用來(lái)培育干細胞，促進(jìn)骨骼再生，用于治療肢體受損修復等。

　　沒(méi)想到，大科學(xué)裝置衍生技術(shù)給生產(chǎn)生活會(huì )帶來(lái)如此巨大的影響。賈鎖堂說(shuō)：“大科學(xué)裝置建造的過(guò)程中，所催生的新技術(shù)都是難以預想，難以預先判斷的。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(lái)。所以我相信，通過(guò)引力波的探測，在大科學(xué)裝置的建設中，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)研究的驅動(dòng)下出現，創(chuàng )新后技術(shù)又會(huì )服務(wù)前沿科學(xué)研究。他認為，進(jìn)行前沿科學(xué)研究的同時(shí)，應積極和一些相關(guān)應用對接，把技術(shù)推廣到更多的國民經(jīng)濟領(lǐng)域，服務(wù)日常生活的方方面面。

　　本欄目?jì)热菰醋陨轿餍l視“轉型進(jìn)行時(shí)”

　　本報記者沈佳