欣闻探测引力波的“天琴计划”落户中山大学,作为曾经半辈子投身引力波探测研究的过来人,自然感到十分高兴和欣慰。从回顾到展望,我看好“天琴计划”。
上世纪六十年代末、七十年代初,美国马里兰大学韦伯教授发表论文称:他们探测到来自银河中心不排除是引力波的信号,由是在全世界掀起一股探测引力波热。我们中国也不例外,以中科院物理所为首,联合华中武汉大学、华南中山大学三家共同共探测引力波,搞同一子午线上的符合实验。后来武大因故没有坚持下去,能够认真做下去的只有中科院物理所和中大物理系。
中大引力波探测事业从一开始,便得到当时中科院和国家教委(教育部前身)和校系的大力支持,在当时国家经费比较困难的情况下,拨专款建设独立的引力波探测楼,并确定它为国家重点实验室。著名相对论物理学家周培元亲笔题名“引力物理研究室”,铭刻于引力室外墙的云石上。
从1974年起,以陈嘉言老师为首的筹建引力波探测实验室团队,日以继夜,努力奋战,亲自设计加工和安装仪器设备,至70年代末、80年代初建成室温共振型引力波天线,经反复调试和改进,在80年代中期,达到世界同类天线的领先水平。与引力实验室建设的同时,引力物理研究室第一任主任、知名数学和理论物理学家卢文教授还组织一个围绕探测引力波的理论研究小组,深入钻研广义相对论有关引力波的检测问题,以期从理论上认知和探索探测引力波实验的原理和方法,掌握主动权。
在上世纪80年代,中山大学引力物理研究室曾经耀眼一时,不但多次参加和主办国际学术交流会议,与美、德、意、澳等国学者互访学术交流,许多国内外知名人士纷纷参观访问,还分别接待了来自世界顶尖的斯坦福大学和莫斯科大学的访问学者,共同参加我们的研究工作半年多,这在当时的中大是不多见的。
80年代中后期,理论上已判定室温共振型天线的 灵敏度与理论预期的引力波强度相差7、8个数量级,远远达不到探测的要求。因此国际上提出两类改进探测方案:一是提高共振天线的信噪比,采用更加灵敏的信号检测器;具体的做法是把天线置于超低温的环境,用较灵敏的量子干涉放大器检测信号。二是采用超长光臂的迈克尔逊干涉仪型的探测设备。按照当时的形势和国家的财力,我们不可能大规模的跟进搞那些新的设施。
我们当时能做的工作是密切关注国际引力波探测潮流,争取创新探索新途径,积极开展模拟超低温下的小型天线实验;同时又从理论上探索激光干涉探测引力波的方案及可行性,安排研究生作相关问题的毕业论文。在引力室存在期间,培养了十多名硕士研究生,以期积聚力量,一旦有条件便迎头赶上。但是,随着星移斗转,引力室老一辈人逐渐年老退休,个别技术人员也被调离,后继无人,加上经费紧缩,原本枝繁叶茂的小树,由于缺肥缺水,便慢慢枯萎,终于我们的引力物理研究室于90年代中后期“安乐死”去,这令老一辈引力波人不胜唏嘘。
2016年2月11日,美国LIGO科学合作组宣布探测到来自GW150914双黑洞合并事件的引力波轰动全世界,这确是令人振奋的科学大事,人类为探测引力波已经耗费了半个多世纪和大量资金,终于能够直接抓到引力波这个幽灵!
对于利用激光干涉测距方法探测引力波的理论和设想,我早在退休前就了解了,并且指导过研究生做相关的论文。对于LIGO(激光干涉引力波天文台)我是大约10年前赴美探亲时,在一本IEEE协会的刊物上看到的。刊物上介绍LIGO建设的初步概貌,图文并茂。我感到LIGO建设的大气,两条各长4公里相互垂直的光臂,其中各有一条数十厘米口径的高真空激光通道,两端悬挂能保证来回反射50次的高反射率透镜,使每一光臂的光程增至400公里,提高探测的灵敏度。此外还安装有大功率高性能的激光发生器以及精密的测距仪器和防震隔震设备,各种部件正常运作保障系统等等,都十分先进和复杂。此后经过一次又一次的灵敏度升级,使两座相隔数千公里的LIGO于2015年几乎同时探测到同样的信号,经过大量数据处理和理论分析以及相应的天文观测资料,得到这是来自GW150914双黑洞合并事件的引力波信号的结论,因此LIGO科学合作团队便于2016年2月11日宣布人工探测到引力波。
通常一个科学理论或科学发现是否正确,最低限度的要求是可以重复观测或实验,又或者有旁证材料和经得起时间的考验。例如,2014年3月17日,哈佛大学史密森天体物理学中心宣布一个轰动全球科技界的消息,位于南极洲的BICEP2望远镜,在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振。这一发现意味着在宇宙大爆炸的最初一瞬间可能出现非常强烈的‘暴涨’,从而激发强烈的引力波。这原初引力波在宇宙中回荡,虽不被吸收,但随着宇宙膨胀迅速减弱。目前变得极其微弱、无法直接探测。然而它们会在微波背景辐射中留下印迹,宇宙微波背景B模偏振的存在,証明可能存在原初引力波,但由于没有旁证而被其他观测否定。
LIGO的探测结果虽然是猝发的孤立事件,不可能重复出现;然而两座LIGO的观测数据可以互相印证,这就加强了它的结论的可信度。LIGO的弱点是很难隔离和防止低频噪声的干扰,因而只适用于探测频率较高的引力波。这种波源多半出现在猝发天体事件上,例如新星或超新星爆发,致密双星(如白矮星、中子星和黑洞等)的合并等等。至于稳定的引力波源,则出现在相互绕转的双星(特别是致密双星)上,而它们的频率都是很低的。至于推论说今次LIGO探测到的引力波波源是两黑洞合并激发的,我不知道证据是否过硬。因为黑洞是不能直接观测到的,只能通过一些间接的现象,如黑洞附近吸积盘的x光发射或出现y暴等情况来判断黑洞的存在和行为,至今还有些天体物理学家怀疑黑洞是否真的存在。我基本信任LIGO团队中的专家们的实验能力和理论分析水平。
从我对有关天琴计划的初步了解,经过思考和比较,我看好中大罗俊校长领头的“天琴计划”。我认为:1)每一个卫星都是一个“局域惯性系”,在它的质心附近安放探测仪器,就可以免除地球上防震隔震和其他干扰的困难,可以探测低频甚至超低频的引力波,这种波源在宇宙中随处皆是。外来的引力干扰(例如附近流星飞过)很容易被剔除。若发现有来源不明的噪声,还可以进一步检测等效原理是否精确成立。
2)作为探测引力波对时空影响的灵敏度,光臂当然愈长愈好。在太空中原则上可以无限加长光臂的大小,只要激光的强度和测量长度的精度允许。且其间可以免除维护光路中真空度的困难和维护经费,或许还能附带检测大范围空间內有无真空涨落的异常出现。
3)天琴计划有的放矢,探测结果可和天文观测互相认证,使结果更为可信。由于是连续观测,不会出现不可重复性的问题。
4)如果天文观测发现其他可能产生强引力波的波源(如巨大的致密互旋双星系统),则可以调整三个卫星的方位,使它们所处的平面法线指向新的探测对象,发挥探测系统最大的灵敏度。
当然,要完或“天琴计划”并非易事,它需要几代人的努力和拼搏。万事起头难,“天琴计划”的地面设施现今已在中大珠海校区启动,领头人罗俊曾三十多年坚持不懈长期呆在在山洞中做精密引力测量研究,取得了世界公认的先进水平成果,并且培养和建立了一个相应的研究团队。在这基础上,进一步面向全球招聘优秀人才,争取国家早日立项,努力与国内外高校和科研机构合作,相信我们的“引力波梦”是可以实现的。
注:作者为我校退休教授,于1984年至1991年任中大原引力物理研究室主任。