引力波大科學裝置：聆聽宇宙的“耳朵”

為當下點題，更為將來點將，引力波大科學裝置作為國之重器、超級工程，面向科學技術前沿，將為國家經濟建設、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

在今年的全國兩會上，一個關于申請“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。廣義相對論認為，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，由于它到達地球時已非常微弱，也被形容為“時空漣漪”。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。

山西將建設一座探測引力波大型地基觀測裝置，這么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，了解宇宙的運動。”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”，就能了解宇宙更全面一些。也有科學家把引力波的探測形容為觀察宇宙的第六感。

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厘米的鏡片，打磨到光潔度達到一個原子直徑的量級，它集最前沿技術于一身。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，國際上用于探測引力波的大型探測器大致分為兩類，一類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），它們被稱為“神雕俠侶”。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（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？我國在這一領域現在是處于什么位置？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年前后發射三顆衛星到太空探測空間引力波。脈沖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。我國依托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，山西積極推動基于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，我們認為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，國際上正處于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。”