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引力波里的中國高校好聲音

時(shí)間:2016-03-01來源:中國教育報(bào) 作者:李薇薇
一個(gè)跨越百年的“星海征途”,一代代科學(xué)家矢志不渝的上下求索。不久前,當(dāng)“引力波”這三個(gè)字,以核裂變般的速度引爆全球,全世界都在為這扇探索宇宙新窗口的開啟而歡欣鼓舞。這也是一場全世界科學(xué)家的“并肩作戰(zhàn)”,在這場頂級世界難題的追問中,中國科學(xué)家從未放棄過自己的努力。
 
從上世紀(jì)70年代中山大學(xué)開始探測引力波,到此次與LIGO(激光干涉引力波天文臺)“協(xié)同作戰(zhàn)”的清華大學(xué)團(tuán)隊(duì),再到由中山大學(xué)牽頭啟動(dòng)的“天琴計(jì)劃”……中國高校的引力波探測項(xiàng)目雖然波折迭起,但師生們不斷探索新突破,從未放棄。本期,我們將聚焦中國高校在引力波探測中的故事,看看高校科研人如何探聽宇宙的遙遠(yuǎn)回響。
 
中國足跡:波折迭起難覓“天際問候”
 
中山大學(xué)是國內(nèi)引力波研究的先行者之一。1973年,中國科學(xué)院的王祝翔、秦榮先等人前往廣州,商討中科院高能所和中山大學(xué)合作進(jìn)行引力波探測研究的事宜,得到中大物理系教授陳嘉言等人的大力支持。1976年,國家科委和教育部決定把這項(xiàng)研究定為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。
 
1979年7月,意大利,第二屆格拉斯曼廣義相對論國際會議。陳嘉言因?yàn)樵谝Σㄑ芯糠矫娴呢暙I(xiàn),被聘為會議顧問委員會委員。在會上,陳嘉言作了《北京—廣州引力波探測進(jìn)展》的報(bào)告,這是中國的引力波研究第一次被國際社會所認(rèn)可。
 
1982年1月,陳嘉言不幸在真空罐中觸電殉職。在他離世后,由于人才隊(duì)伍接續(xù)等問題,引力波研究也相繼停滯。
 
我國的激光干涉儀引力波探測始于1984-1985年,由清華大學(xué)著名理論物理學(xué)家周培源教授發(fā)起。由周培源的學(xué)生李永貴和朱寧在中科院高能所引力室(北京中關(guān)村)的原理性實(shí)驗(yàn)平臺搭建開始。1985年,激光干涉儀引力波探測實(shí)驗(yàn)便是朱寧的博士論文題目。但到90年代,因得不到經(jīng)費(fèi)支持,沒有進(jìn)行下去。當(dāng)時(shí)連已經(jīng)存在20年的引力實(shí)驗(yàn)室都解散了。
 
直到2008年,在中科院力學(xué)所國家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動(dòng)下成立了空間引力波探測工作組,引力波的中國研究才再啟征程。
 
中國智慧:苦練“內(nèi)功”凈化天籟之音
 
2009年,清華大學(xué)被LIGO科學(xué)合作組織(LSC)接受為正式成員,也是目前中國大陸唯一的LSC成員。中國清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號,加速了邁向星辰大海的征程。
 
“這次發(fā)現(xiàn)的確美妙和激動(dòng)人心,但日常工作中的海量數(shù)據(jù)分析并不總是令人愉快。”清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、LSC理事會成員曹軍威是清華大學(xué)LIGO工作組負(fù)責(zé)人,他說。這一研究團(tuán)隊(duì)著重應(yīng)用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率,參與了LSC引力波數(shù)據(jù)分析軟件等相關(guān)研究。
 
為了捕捉“虛無縹緲”的引力波,研究者們苦練“內(nèi)功”。曹軍威說,最大的挑戰(zhàn)在于LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高,達(dá)到每秒1.6萬次以上,采樣信道達(dá)上萬個(gè),數(shù)據(jù)量大,需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)做支撐,提高數(shù)據(jù)處理效率,這也是清華團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)。
 
“漫長的時(shí)間里L(fēng)IGO探測器并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)精度,是探測不到真正的引力波信號的,可以認(rèn)為實(shí)際大家在處理的全都是噪聲,可就是在對這些噪聲的一點(diǎn)一滴的處理中不斷積累經(jīng)驗(yàn),不斷提升儀器的精度,才有了今天的探測靈敏度。” 曹軍威如是說。
 
中國力量:上天入地?fù)軇?dòng)“天琴”探真諦
 
如果說引力波是一場宇宙交響曲,那么美國LIGO的成果只是一個(gè)序曲。
 
“未來引力波的探測,中國應(yīng)有一席之地,有自己的引力波探測平臺,有自己的引力波天文臺。”2月21日,中國科學(xué)院院士、中山大學(xué)校長羅俊在推進(jìn)實(shí)施“天琴計(jì)劃”研討會上指出,“天琴計(jì)劃”將成為中方主導(dǎo)的國際合作項(xiàng)目,集聚全世界最優(yōu)秀的科學(xué)家朝著同一個(gè)目標(biāo)努力。
 
2015年7月份,由中山大學(xué)發(fā)起的中國本土引力波探測工程“天琴計(jì)劃”正式啟動(dòng),該計(jì)劃提出者正是中山大學(xué)校長羅俊院士。“天琴計(jì)劃”是以引力波研究為中心,開展空間引力波探測計(jì)劃任務(wù)的預(yù)先研究,制定中國空間引力波探測計(jì)劃的實(shí)施方案和路線圖,并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。
 
目前,中山大學(xué)珠海校區(qū)正在建設(shè)引力波研究所需的地面基礎(chǔ)設(shè)施。已經(jīng)啟動(dòng)山洞超靜實(shí)驗(yàn)室和激光測距地面臺站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),部分技術(shù)研究已有具體進(jìn)展。
 
雖然中國沒有在發(fā)現(xiàn)引力波這項(xiàng)研究中拔得頭籌,但一系列與引力波探測相關(guān)的動(dòng)作,正見證著中國高校和科研單位尋覓引力波的力度和決心。也許在不久的將來,引力波這個(gè)宇宙最美初音里終將會傳出動(dòng)聽的中國音符。
 
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除了日前風(fēng)頭正勁的天琴計(jì)劃外,中國還有多個(gè)與探測引力波相關(guān)的項(xiàng)目正在建設(shè)中……相信在不久的將來,傾聽捕捉到宇宙中引力波的“呼吸”將不再是夢想。
 
太極計(jì)劃:2008年,中科院多個(gè)研究所及院外高校科研單位共同參與開始發(fā)起“太極計(jì)劃”。按計(jì)劃,我國將在2030年前后將發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組,用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測。該工程可以覆蓋地面裝置無法探測的引力波中低頻段。
 
阿里計(jì)劃:致力于“在地面聆聽引力波音符”的中科院國家天文臺阿里觀測站位于西藏阿里地區(qū)海拔5100米的山脊上。建成后,有望填補(bǔ)北半球觀測宇宙微波背景輻射的空白。中國科學(xué)家更可在世界屋脊,捕捉宇宙誕生的“初啼”。
 
FAST:引力波會使脈沖到達(dá)時(shí)間發(fā)生變化。如果能觀測到全天的脈沖星或者某一方向上的多個(gè)脈沖星周期發(fā)生變化,就能探測到引力波。中國貴州,科學(xué)家們正在建造面積相當(dāng)于30個(gè)足球場的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)。該項(xiàng)目的一個(gè)重要目標(biāo)是利用脈沖星探測引力波。

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