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张新民委员:为了138亿年前宇宙第一声啼哭!

编辑:  时间::2019/3/15 10:39:20

▲全国政协委员张新民接受本报记者采访。 范文杰 摄

大爆炸发生后的极短一瞬间,时空产生了剧烈扰动。就好比宇宙在诞生时喊了一嗓子,其声音虽然越来越弱,但一直未曾消散。


2017年3月,我国在海拔5250米的西藏阿里启动了“阿里计划”——全球海拔最高的原初引力波观测站建设。就是为了在宇宙微波背景辐射找到引力波的独特印记———光的B模式偏振。


目前,该项目进展顺利,一期观测仓已建成并通过验收。


2020年冬天,观测站将睁开眼睛,探寻原初引力波和广袤宇宙的奥秘。


“三年建成、五年出成果”,这是阿里团队给出的承诺。即在2022年左右,给出一个北天区宇宙微波背景辐射(CMB)极化最好的天图。原初引力波的线索,就藏在这张天图里。

每一位父母,都难忘听到孩子第一声啼哭时的感动。


如何可以听到宇宙的第一声啼哭呢?


美国激光干涉引力波天文台(LIGO)在2016年2月11日宣布成功探测到由双黑洞并合产生的引力波,并毫无悬念地捧走诺贝尔奖之后,宇宙暴胀时期诞生的原初引力波成为了下一个追逐的焦点。


如果说引力波的发现,完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图,那么原初引力波作为“宇宙的初啼”,则能帮我们检验各种宇宙起源和演化模型,从而改变人类对宇宙的认知,开启天体物理学的一个全新时代。


“引力波,我们错过一次就够了!”全国政协委员、中国科学院高能物理所研究员张新民说。


为了138亿年前的那声宇宙低语,以张新民为代表的科学家们忙碌在西藏阿里海拔5250米的高原上,站在世界屋脊聆听宇宙的初啼。


“这会成为中国科学的典范,一个非常漂亮的典范。中国利用西藏这样一个独特的地理条件,建造一台国际共享的设备。全世界都应该知道中国在做这样的事。”因对LIGO探测到引力波作出重大贡献而获得诺贝尔奖的雷纳·韦斯如是说。


找寻最早的印记

记者:我们的宇宙已经138亿岁了。138亿年前发出的一个声音,今天我们想去探听到它,听着就是一件非常具有挑战性的事情。可以用最科普的语言给我们介绍一下原初引力波吗?


张新民:形象地说,原初引力波就是宇宙在诞生的时候突然喊了一声,这个声音一直消之不去,就像人们在大山里发出声音,回声一直在山谷中间回荡一样。宇宙的第一声啼哭也会形成一个背景的声音,一直在宇宙中存在。


随着宇宙的演化不断红移,宇宙初啼的信号到了今天,已经变得非常微弱,因此我们要用一种全新的探测手段,到宇宙中寻找一种古老的化石。这种古老的化石在空间中有一种特殊的分布,这个分布可能是由原初引力波造成的。只要能精确地测量化石在宇宙中的分布,就可以寻找原初引力波的蛛丝马迹。


这种神秘的化石就是宇宙微波背景辐射光子,我们称之为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辐射中留下可探测的印迹,而探测B模式偏振就是阿里计划追寻的目标。


记者:您刚才提到的全新的探测手段,指的是在高海拔地区建立观测站吗?


张新民:不同的引力波源产生的引力波频段不同,最佳探测手段也不同。


探测原初引力波,寻找合适的观测点非常重要。现在专家们的意见是,全球只有4个地方适合进行CMB探测:位于南半球的智利阿塔卡玛沙漠、南极,以及位于北半球的格陵兰岛和我国西藏阿里。阿里观测站地处海拔5000米以上的青藏高原地区,地理环境优势、观测气象条件与配套基础设施都具有很大优势。


有一流基地才会有机会

记者:阿里计划目前的进展如何?我国还有其他探测引力波的设备或方式吗?


张新民:阿里原初引力波观测计划是2014年提出的,2016年正式启动。2017年3月台址基建动工,2018年11月竣工并通过验收。目前,项目进展顺利,一期观测仓已完工,预计2020年冬季便能开始观测。


关于引力波的探测,我国一直是“天地两路并进”:天上的指的是太空探测引力波,包括中科院提出的“太极计划”和由中山大学领衔的“天琴计划”;地面探测引力波,则包括中科院高能物理研究所主导的“阿里计划”探测原初引力波和国家天文台主持的贵州500米口径球面射电望远镜FAST项目,也就是“天眼”。


记者:您曾经表示,我们不能再错过探测原初引力波的重要窗口。但据我了解,无论在地面还是空间,中国的引力波探测项目均起步较晚,中国还有拔得头筹的时间吗?


张新民:的确,我们的探测项目起步较晚,但具有独特地理优势的阿里为我们的研究开辟了一个新的窗口。


2017年诺奖得主、LIGO引力波探测功勋人物索恩曾经预测,人类将在未来5至10年内探测到原初引力波。这意味着,如果这台北半球唯一、全球海拔最高的CMB观测望远镜如期建成,就能抓住历史的时间窗。过去我们在引力波、宇宙学研究领域没有与大国地位相称的原创成果,主要就是因为欠缺相应的研究基地和实验观测设备。


记者:在您看来,原初引力波实验项目能否迅速展开,以阿里观测站为代表的基地和设备是重要依托?


张新民:不仅是原初引力波的观测,高能物理、天文学、宇宙学的研究,没有观测设备就是“无米之炊”。


不知道您是否有听说,除了世界上最高的望远镜,中国还有一个具有独特地理优势的科研基地———锦屏地下实验室。这是世界上最深的地下实验室,它利用了为水电站修建的锦屏山隧道,其垂直岩石覆盖达2400米。目前,来自上海交通大学和清华大学的两个团队,正在其中开展暗物质粒子实验。


这两个基地,聚焦的都是国际竞争激烈的基础物理前沿领域。与引力波一样,各国在暗物质暗能量领域也正在开展“天上地下”的竞争。暗物质和暗能量构成了宇宙的95%,我们已知的可见宇宙物质则只有5%。面对这样宏大的课题,没有一流的基地,原创研究就没有持续性保障。


当然,必须要承认,基础研究特别是观测和实验方面的研究,是对自然界基本规律的探索,可能会成功,也可能会失败。但是,只有有了一流的研究基地和设施,才有取得重大成果的机会。


带来的改变你无法想象

记者:观测方面的研究,可能会成功,也可能会失败。那是否意味着,如果阿里计划最后没有探测到原初引力波,之前的所有投入将“打水漂”?


张新民:不能这么简单理解。这是基础研究的规律,也是科学探索的规律。2016年,因对LIGO探测到引力波作出重大贡献而获得诺贝尔奖的巴里什也坦言,LIGO当时是个高风险的实验性项目,他们也不能打包票一定能探测到什么。


我认为,在科学上,欲成大事,必冒风险。


记者:您把探测引力波称为“大事”,“大”在哪里?引力波到底有什么用?


张新民:从技术层面上看,探测到它,就可以检验爱因斯坦引力理论,验证宇宙起源和演化模型,如暴胀、反弹、循环等。一方面有利于研究早期宇宙动力学过程,另一方面也有助于推进人们对量子引力这些基本物理问题的理解。


更重要的是,它开启了一个新的时代,使粒子物理、天体物理和宇宙学家们能够利用一种全新的手段去探索宇宙创生和演化的奥妙。如果说,电磁波让人类“看”得更远,那么引力波将使人类听到来自宇宙深处的低语。我们已经有了眼睛,再生出两个耳朵,就可以听到更多来自宇宙深处的信号,可以更好地探究我们的世界。


虽然最新报道称中国在发表论文数超过了美国,但重大原创成果缺乏,在国际上的影响力与我们这样一个大国应有的地位极其不相称。我们需要像引力波探测这类大型科学装置的研究项目来提升我国在科技领域的国际影响力。


记者:对百姓生活是否会带来改变?


张新民:在短时期内,引力波本身对人类的生活可能没什么影响。但是由于引力波信号非常弱,探测引力波需要非常灵敏的仪器以及控制极低的噪声,这些“附加”的技术,比如激光、减震、数据处理等却可以用于人类的生活。而在更远的将来,引力波为人类所用也是极有可能的。


没有电磁波,就不可能有今日的手机通话。若干年后,引力波或许也会像电磁波一样深入日常生活,电磁波技术的源头一直由西方发达国家统治着。如今,我们不能再失掉引力波研究的机遇了。


记者:您所研究的领域是社会普遍了解较少的“冷点”项目,您觉得有没有让百姓了解国家重大工程项目的必要?作为政协委员,您已经做了或者将为此做哪些工作?


张新民:让百姓具体了解什么是宇宙微波背景辐射,什么是原初引力波意义不大,这本来就是科学家们的专业领域,让科学家们潜心研究就好了。但对于我们为什么要做这些基础研究项目,这些研究将会给我们的生活、我们的国家、我们的未来带来哪些变化却是应该让百姓们了解和知道的。这样才能让全社会来理解和支持基础研究,来推动科学的不断发展。


作为政协委员,我每年两会都会提交与基础研究相关的提案,和科技界别的其他委员一起呼吁国家加大支持基础研究的力度。我相信,借助政协的平台,发挥政协委员联系面广、智力密集的特点,一定会在全社会凝聚起重视基础研究的共识,为促进我国科技的全面发展贡献力量。




转载自全国政协报