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張新民委員:為了138億年前宇宙第一聲啼哭!

編輯:  時間::2019/3/15 10:39:20

▲全國政協委員張新民接受本報記者采訪。 范文杰 攝

大爆炸發生后的極短一瞬間,時空產生了劇烈擾動。就好比宇宙在誕生時喊了一嗓子,其聲音雖然越來越弱,但一直未曾消散。


2017年3月,我國在海拔5250米的西藏阿里啟動了“阿里計劃”——全球海拔最高的原初引力波觀測站建設。就是為了在宇宙微波背景輻射找到引力波的獨特印記———光的B模式偏振。


目前,該項目進展順利,一期觀測倉已建成并通過驗收。


2020年冬天,觀測站將睜開眼睛,探尋原初引力波和廣袤宇宙的奧秘。


“三年建成、五年出成果”,這是阿里團隊給出的承諾。即在2022年左右,給出一個北天區宇宙微波背景輻射(CMB)極化最好的天圖。原初引力波的線索,就藏在這張天圖里。

每一位父母,都難忘聽到孩子第一聲啼哭時的感動。


如何可以聽到宇宙的第一聲啼哭呢?


美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)在2016年2月11日宣布成功探測到由雙黑洞并合產生的引力波,并毫無懸念地捧走諾貝爾獎之后,宇宙暴脹時期誕生的原初引力波成為了下一個追逐的焦點。


如果說引力波的發現,完成了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖,那么原初引力波作為“宇宙的初啼”,則能幫我們檢驗各種宇宙起源和演化模型,從而改變人類對宇宙的認知,開啟天體物理學的一個全新時代。


“引力波,我們錯過一次就夠了!”全國政協委員、中國科學院高能物理所研究員張新民說。


為了138億年前的那聲宇宙低語,以張新民為代表的科學家們忙碌在西藏阿里海拔5250米的高原上,站在世界屋脊聆聽宇宙的初啼。


“這會成為中國科學的典范,一個非常漂亮的典范。中國利用西藏這樣一個獨特的地理條件,建造一臺國際共享的設備。全世界都應該知道中國在做這樣的事。”因對LIGO探測到引力波作出重大貢獻而獲得諾貝爾獎的雷納·韋斯如是說。


找尋最早的印記

記者:我們的宇宙已經138億歲了。138億年前發出的一個聲音,今天我們想去探聽到它,聽著就是一件非常具有挑戰性的事情。可以用最科普的語言給我們介紹一下原初引力波嗎?


張新民:形象地說,原初引力波就是宇宙在誕生的時候突然喊了一聲,這個聲音一直消之不去,就像人們在大山里發出聲音,回聲一直在山谷中間回蕩一樣。宇宙的第一聲啼哭也會形成一個背景的聲音,一直在宇宙中存在。


隨著宇宙的演化不斷紅移,宇宙初啼的信號到了今天,已經變得非常微弱,因此我們要用一種全新的探測手段,到宇宙中尋找一種古老的化石。這種古老的化石在空間中有一種特殊的分布,這個分布可能是由原初引力波造成的。只要能精確地測量化石在宇宙中的分布,就可以尋找原初引力波的蛛絲馬跡。


這種神秘的化石就是宇宙微波背景輻射光子,我們稱之為CMB光子,其中的B模式偏振就是原初引力波在宇宙微波背景輻射中留下可探測的印跡,而探測B模式偏振就是阿里計劃追尋的目標。


記者:您剛才提到的全新的探測手段,指的是在高海拔地區建立觀測站嗎?


張新民:不同的引力波源產生的引力波頻段不同,最佳探測手段也不同。


探測原初引力波,尋找合適的觀測點非常重要。現在專家們的意見是,全球只有4個地方適合進行CMB探測:位于南半球的智利阿塔卡瑪沙漠、南極,以及位于北半球的格陵蘭島和我國西藏阿里。阿里觀測站地處海拔5000米以上的青藏高原地區,地理環境優勢、觀測氣象條件與配套基礎設施都具有很大優勢。


有一流基地才會有機會

記者:阿里計劃目前的進展如何?我國還有其他探測引力波的設備或方式嗎?


張新民:阿里原初引力波觀測計劃是2014年提出的,2016年正式啟動。2017年3月臺址基建動工,2018年11月竣工并通過驗收。目前,項目進展順利,一期觀測倉已完工,預計2020年冬季便能開始觀測。


關于引力波的探測,我國一直是“天地兩路并進”:天上的指的是太空探測引力波,包括中科院提出的“太極計劃”和由中山大學領銜的“天琴計劃”;地面探測引力波,則包括中科院高能物理研究所主導的“阿里計劃”探測原初引力波和國家天文臺主持的貴州500米口徑球面射電望遠鏡FAST項目,也就是“天眼”。


記者:您曾經表示,我們不能再錯過探測原初引力波的重要窗口。但據我了解,無論在地面還是空間,中國的引力波探測項目均起步較晚,中國還有拔得頭籌的時間嗎?


張新民:的確,我們的探測項目起步較晚,但具有獨特地理優勢的阿里為我們的研究開辟了一個新的窗口。


2017年諾獎得主、LIGO引力波探測功勛人物索恩曾經預測,人類將在未來5至10年內探測到原初引力波。這意味著,如果這臺北半球唯一、全球海拔最高的CMB觀測望遠鏡如期建成,就能抓住歷史的時間窗。過去我們在引力波、宇宙學研究領域沒有與大國地位相稱的原創成果,主要就是因為欠缺相應的研究基地和實驗觀測設備。


記者:在您看來,原初引力波實驗項目能否迅速展開,以阿里觀測站為代表的基地和設備是重要依托?


張新民:不僅是原初引力波的觀測,高能物理、天文學、宇宙學的研究,沒有觀測設備就是“無米之炊”。


不知道您是否有聽說,除了世界上最高的望遠鏡,中國還有一個具有獨特地理優勢的科研基地———錦屏地下實驗室。這是世界上最深的地下實驗室,它利用了為水電站修建的錦屏山隧道,其垂直巖石覆蓋達2400米。目前,來自上海交通大學和清華大學的兩個團隊,正在其中開展暗物質粒子實驗。


這兩個基地,聚焦的都是國際競爭激烈的基礎物理前沿領域。與引力波一樣,各國在暗物質暗能量領域也正在開展“天上地下”的競爭。暗物質和暗能量構成了宇宙的95%,我們已知的可見宇宙物質則只有5%。面對這樣宏大的課題,沒有一流的基地,原創研究就沒有持續性保障。


當然,必須要承認,基礎研究特別是觀測和實驗方面的研究,是對自然界基本規律的探索,可能會成功,也可能會失敗。但是,只有有了一流的研究基地和設施,才有取得重大成果的機會。


帶來的改變你無法想象

記者:觀測方面的研究,可能會成功,也可能會失敗。那是否意味著,如果阿里計劃最后沒有探測到原初引力波,之前的所有投入將“打水漂”?


張新民:不能這么簡單理解。這是基礎研究的規律,也是科學探索的規律。2016年,因對LIGO探測到引力波作出重大貢獻而獲得諾貝爾獎的巴里什也坦言,LIGO當時是個高風險的實驗性項目,他們也不能打包票一定能探測到什么。


我認為,在科學上,欲成大事,必冒風險。


記者:您把探測引力波稱為“大事”,“大”在哪里?引力波到底有什么用?


張新民:從技術層面上看,探測到它,就可以檢驗愛因斯坦引力理論,驗證宇宙起源和演化模型,如暴脹、反彈、循環等。一方面有利于研究早期宇宙動力學過程,另一方面也有助于推進人們對量子引力這些基本物理問題的理解。


更重要的是,它開啟了一個新的時代,使粒子物理、天體物理和宇宙學家們能夠利用一種全新的手段去探索宇宙創生和演化的奧妙。如果說,電磁波讓人類“看”得更遠,那么引力波將使人類聽到來自宇宙深處的低語。我們已經有了眼睛,再生出兩個耳朵,就可以聽到更多來自宇宙深處的信號,可以更好地探究我們的世界。


雖然最新報道稱中國在發表論文數超過了美國,但重大原創成果缺乏,在國際上的影響力與我們這樣一個大國應有的地位極其不相稱。我們需要像引力波探測這類大型科學裝置的研究項目來提升我國在科技領域的國際影響力。


記者:對百姓生活是否會帶來改變?


張新民:在短時期內,引力波本身對人類的生活可能沒什么影響。但是由于引力波信號非常弱,探測引力波需要非常靈敏的儀器以及控制極低的噪聲,這些“附加”的技術,比如激光、減震、數據處理等卻可以用于人類的生活。而在更遠的將來,引力波為人類所用也是極有可能的。


沒有電磁波,就不可能有今日的手機通話。若干年后,引力波或許也會像電磁波一樣深入日常生活,電磁波技術的源頭一直由西方發達國家統治著。如今,我們不能再失掉引力波研究的機遇了。


記者:您所研究的領域是社會普遍了解較少的“冷點”項目,您覺得有沒有讓百姓了解國家重大工程項目的必要?作為政協委員,您已經做了或者將為此做哪些工作?


張新民:讓百姓具體了解什么是宇宙微波背景輻射,什么是原初引力波意義不大,這本來就是科學家們的專業領域,讓科學家們潛心研究就好了。但對于我們為什么要做這些基礎研究項目,這些研究將會給我們的生活、我們的國家、我們的未來帶來哪些變化卻是應該讓百姓們了解和知道的。這樣才能讓全社會來理解和支持基礎研究,來推動科學的不斷發展。


作為政協委員,我每年兩會都會提交與基礎研究相關的提案,和科技界別的其他委員一起呼吁國家加大支持基礎研究的力度。我相信,借助政協的平臺,發揮政協委員聯系面廣、智力密集的特點,一定會在全社會凝聚起重視基礎研究的共識,為促進我國科技的全面發展貢獻力量。




轉載自全國政協報


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