引力波大科学装置：聆听宇宙的“耳朵”

为当下点题，更为将来点将，引力波大科学装置作为国之重器、超级工程，面向科学技术前沿，将为国家经济建设、国家安全和社会发展作出战略性、基础性和前瞻性的贡献，也会全面提升山西的科学地位和实力。

 探索宇宙奥秘的地基引力波大科学装置落户山西

在今年的全国两会上，一个关于申请“引力波探测大型地基观测装置”落地山西的建议提案，格外引人瞩目。“引力波探测大型地基观测装置”究竟是怎样的前沿科技重器？

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，这一革命性的时空引力理论带来神奇的黑洞和宇宙大爆炸等诸多预言，同时彻底革新了先前对时间与空间的理解。广义相对论认为，时空就像是一张巨大的橡皮膜，有质量的物体会使时空发生弯曲，而这弯曲了的时空，则会反过来告诉物体如何运动。引力波就是时空弯曲程度的波动，由于它到达地球时已非常微弱，也被形容为“时空涟漪”。直到引力波概念诞生100年后的2015年，人类第一次通过高精度激光探测装置捕捉到了它，为探索宇宙打开了一扇全新的窗口。

山西将建设一座探测引力波大型地基观测装置，这么前沿的科学如何跟山西结缘。山西地基引力波探测项目工作组组长、山西大学教授贾锁堂说：“引力波的直接探测是对宏观世界进行探测，通过探测能研究宇宙演化的规律，了解宇宙的运动。”山西地基引力波探测项目总工程师、山西大学光电研究所教授郑耀辉形象地把电磁波观察宇宙的手段比作“看”，把引力波观察宇宙的手段比作“听”。如果既能“听”又能“看”，就能了解宇宙更全面一些。也有科学家把引力波的探测形容为观察宇宙的第六感。

从物理学的角度，与用电磁波“看”宇宙不同，用引力波“听”宇宙是当今世界前沿科学课题。工欲善其事，必先利其器，那就需要建设一座堪称科技重器的大科学装置来收听宇宙的脉动，这正是山西在做的一件事。郑耀辉告诉记者，引力波探测大科学装置是迈克尔逊干涉仪，它有两个相互垂直的干涉臂，但它又不是简单的迈克尔逊干涉仪，它个头非常大，集成了全球最尖端的技術。它的真空度非常高，是标准大气压的一百亿分之一;它的激光器噪声非常低，是日常噪声的十亿分之一;它选用的光学镜片损耗非常小，如果300万的光子打到镜片上损耗仅一个光子;它的面形非常卓越，要把一个直径是50厘米的镜片，打磨到光洁度达到一个原子直径的量级，它集最前沿技术于一身。贾锁堂称它是国之重器，纵观科学发展史上，很多重要的物理事件的发现，重要的科学成果诞生，都是在大科学装置上完成的。它是进行基础研究、交叉学科研究、技术和工程研究的重要平台，既彰显国家的科技水平，又是吸引全人类的优秀人才和一流科学家前来工作的重要基地。

“重大突破科研仪器先行”，这在全球科技界早已形成共识。瞄准建造这样的大科学装置，世界多国都有各具特色的引力波探测计划。目前，国际上用于探测引力波的大型探测器大致分为两类，一类是基于地面的地基引力波探测装置，比如，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）、欧洲的室女座激光干涉引力波天文台（Virgo），它们被称为“神雕侠侣”。二者联合观测、数据共享，组成了引力波探测网;另外还有日本的神冈引力波探测装置（KAGRA）和印度正在兴建的激光干涉引力波天文台（LIGO-India）等。另一类是基于太空的天基引力波探测装置，主要有欧空局主导的激光干涉空间天线（LISA）、日本的分赫兹干涉引力波天文台（DECIGO、B-DECIGO）。

目前国际上引力波探测呈现出什么特点？我国在这一领域现在是处于什么位置？中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所所长蔡荣根介绍，目前国际上地基引力波探测装置正在运行的有美国LIGO、欧洲Virgo和日本KAGRA，印度正在准备建设LIGO-India。第三代地基引力波探测装置规划中的有欧洲爱因斯坦望远镜ET、美国宇宙勘探者CE。空间引力波探测，欧洲和美国NASA正在进行LISA项目，预期2035年前后发射三颗卫星到太空探测空间引力波。脉冲星测时阵列引力波探测，澳洲、欧洲、美国各有一个项目，还有一个国际联合项目。我国依托天眼可以探测纳赫兹引力波。通过宇宙微波背景辐射来探测引力波，我国部署了阿里项目，正在积极推进中。空间引力波探测项目，我国有中国科学院主导的太极计划、中山大学主导的天琴计划、第一代实验卫星都已经发射成功，正在积极推进。此次山西大学部署地基引力波探测，正好填补了国内在这方面的空缺，非常重要。

  接入第三代地基引力波探测器建造，会实现弯道超车

对接国家战略需求，山西积极推动基于量子光源的引力波探测大型地基观测装置建设，目前已经列入我省“十四五”规划重点建设项目，这项填补我国地面直接探测引力波空白的大科学装置最终总体目标将建造10公里左右的地下超长地基引力波探测装置;获得相应测试频段的引力波探测事件;集聚约500人的研究队伍，带动山西乃至国内相关学科基础科学研究和光机电产业。

山西的地基引力波探测器臂长10公里，这也是目前世界上准备开建的最长的引力波探测器。郑耀辉说：“目前在运行的引力波探测器最长的是美国的LIGO，臂长是4公里，我们认为这个引力波探测器的灵敏度还不够，需要建设更灵敏的第三代引力波探测器。当前，国际上正处于第二代到第三代转换过渡的关键时期，如果我们介入第三代引力波探测器建造，我想会实现在引力波探测方面的弯道超车。这既是机遇又是挑战，第二代到第三代的升级，要求真空度再提升一个数量级，激光器的噪声再降低一个数量级，每一个环节的技术难度已经很高了，若要把这几个环节叠加起来的话，这真是难上加难的事情，但是我们已经做好准备面对挑战。”