从引力波谈到北斗导航——褚君浩院士畅聊引力波
  3月4日,上海市科技机关举行“慧分享”活动,邀请中国科学院院士、半导体物理和器件专家、华东师范大学信息学院院长褚君浩主讲《从引力波谈到空间北斗》。
  

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  看不见的不等于不存在,浩瀚宇宙中困惑着人类的几个重大问题:宇宙从哪里来,宇宙向那里去,始终是未解之谜。而随着引力波被发现和证实,量子物理学在解答有关宇宙的终极问题时又有了新的突破。褚君浩院士对这样的发现感到万分惊喜,并在此次“慧分享”活动现场与大家分享了他对于国内目前北斗导航系统与引力波研究之间的联系的一些看法。
  
  引力波为何引发热议
  
  一朝成名,苦寒多年。尽管“引力波”这个陌生的词汇是近日才为普通群众所知,实际上关于如何发现引力波的研究早已持续了多年。
  
  美国科学家今年2月11日宣布,他们探测到引力波的存在。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。
  

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  美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员当天在华盛顿举行记者会,宣布他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。
  

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  据他们估计,这两个黑洞合并前的质量分别相当于36个与29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量,其中相当于3个太阳质量的能量在合并过程中以引力波的形式释放。
  
  LIGO探测器是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器,不久前完成了改造升级,其探测灵敏度相比2010年提高了约10倍。
  

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  引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹一样。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。
  
  引力波如何被抓到
  
  引力波的实验立项已经超过三十年。在1981年,加州理工的C.M. Caves写过一篇理论文章,深入分析了如果要用迈克尔逊干涉仪来探测引力波所要克服的各种噪声,他还讨论了量子噪声对测量的影响。这篇论文成为了后来LIGO项目的立项重要基础之一,当时Caves刚刚博士毕业两年(导师是Kip S. Thorne),已经完成了如此重要而系统研究。褚君浩院士不无感慨地提到两点:“年轻人做科学更有创造性。而科学研究需要有连续、持久性。”
  

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  LIGO计划的实施是一项重大挑战。在最早的LIGO计划书中,双黑洞和双中子星的碰撞过程是主要的目标。他们就提到了一个三步计划:第一步的Initial LIGO在设计灵敏度下可以看到5亿光年以外的双黑洞碰撞,第二步的Advacned LIGO在设计灵敏度下可以看到70亿光年以外的双黑洞碰撞。这多出的14倍的距离,相当于多覆盖了宇宙中将近三千倍的体积。今天的Advanced LIGO,尚未达到设计灵敏度,就已经看到了14亿光年以外的双黑洞碰撞。
  
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  那么,到底多少亿光年的覆盖距离才够呢?天文观测具有一定的随机性,但是随机过程也是可以从统计上进行把握的。为了不重蹈Joe Weber的覆辙,LIGO科学家们事先要推算出一定体积内黑洞、中子星碰撞的发生率。推测发生率,要根据天文学家对宇宙中星系的分布、星系中双星的形成、演化等一系列信息进行综合考虑。在没有引力波探测作为依据的情况下,对这些发生率推断是有很大误差的。根据当时最好的估计,Initial LIGO应该只有很少的希望可以看到双黑洞的碰撞,而几乎没有希望看到双中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到双黑洞的碰撞,而应该可以保证至少探测到几个双中子星的碰撞。从这个角度来看,今天的成功,虽然是幸运,也并不是意料之外的事情。并且,既然我们已经在这个灵敏度下探测到了一个事件,这就意味着如果我们按照这个灵敏度继续探测,势必会有更多的事件被探测到。
  
  全世界都在苦苦追寻
  
  美国的LIGO计划开始之后,欧洲也开始进行引力波探测计划。目前,比较大型的探测器是由英国和德国合作,在德国Hannover附近建造的GEO 600探测器,以及由法国和意大利合作,在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的壁长是600米,而VIRGO的臂长是3000米。相比之下,VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600,而和LIGO相当。
  
  大家也许会问,为什么经济实力更强的英、德两国在引力波探测器的规模上竟然会比不过法意两国呢?据说,本来前西德也要建造一个4公里臂长的探测器。但是由于东西德合并,西德支持东德,这个经费就被砍掉了,只好建造一个600米的探测器。
  
  最近,日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。早年,在日本有一个TAMA300探测器,位于东京附近的三鹰市,在日本的国家天文台院内,臂长300米。日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测,这个KaGRA项目终于在2008年立项。目前,这个探测器的建设已经基本完成,进入了调试阶段。
  
  前些年,印度也开始加入了引力波探测的行列。LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议,计划把LIGO的一部分实验设备运往印度,并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。
  
  那么中国目前是否也在追寻引力波?褚君浩院士给出了肯定的回答:“广州大学的天琴计划就是中国在探索发现引力波方面的项目。引力波的发现对于人类有着重要的意义,它改变了人类观察宇宙的方式。甚至可能在未来为人类实现星际通讯以及一些其他物理理论的研究提供不可或缺的支持。”
  
  北斗导航与引力波的关系
  
  北斗导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。而它与引力波之间又有什么联系呢?
  
  “引力波和北斗导航系统之间的联系就是万有引力。”褚君浩院士介绍道。“前者偏向理论研究,后者偏向实际应用。”目前北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具备短报文通信能力,已经初步具备区域导航、定位和授时能力。
  
  目前已有20多颗北斗卫星在地球上空的轨道上运行,而完成设想中的系统构架至少需要35颗卫星。北斗导航系统与引力波不同,在人们生活的方方面面都有可能已经享受过“北斗”带来的便利,比如卫星放牧系统构架、海洋疏浚工程、人身定位、智能交通、无人驾驶、应急救援、智慧农业等各方面。而在北斗导航系统的研发过程中,也不是没有坎坷和挫折,卫星故障、数据误差等等都是中国科学家们努力需要跨过的一道坎。褚君浩院士却并不把这些失败看作是羞于启齿之事,反而豁达地看待成功与失败之间的内在联系,并认为:
  
  科学研究不可能是100%成功的,一定是失败和经验的积累。做科研一定会经历灵感的闪现性和方向的不确定性。
  
  对于科学幻想中提到的时空穿越这样的情景,褚君浩院士表示: 引力波的发现为这种幻想提供了证明的可能性,但引力波未来在现实中可能会与暗物质研究有关。21世纪将是宇宙学和量子力学的世纪。(摘自《上海科技党建网》)
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