“发现引力波是科学家的百年梦想。”中国科学院大学副校长吴岳良院士在向记者介绍中国的引力波探测计划时如是说。

引力波这个最近大热的科学名词，其实已年满百岁。1915年，爱因斯坦提出广义相对论，革新了牛顿的经典引力观，提出引力的本质是“时空的弯曲”。1916年，爱因斯坦预言引力的作用以波动的形式传播。

前不久，美国科研人员宣布，他们利用激光干涉引力波天文台LIGO于去年9月首次探测到引力波。这一发现印证了爱因斯坦100年前的预言。

引力波是什么？为何人类费时百年才初次捕捉到它？中国的引力波探测计划又将如何触摸宇宙的脉搏？请看《经济日报》记者发回的报道。

标准模型最后拼图

大到银河、小到原子，世间万物都由基本粒子组成。

粒子物理学家已经发展出一个“标准模型”理论，能解释数以百计的粒子，和各种复杂的作用力。

自2012年希格斯粒子被发现后，描述电磁作用力、弱作用力和强作用力的粒子物理标准模型所预言的所有基本粒子都得到了实验的证实，唯一的例外只剩下传递引力相互作用的引力子。

“引力存在于宇宙所有物质和能量之间，是人类最早认识的一种基本作用力。引力作用支配着宇宙的形成和演化。然而，人们对引力的认识最不清楚。”吴岳良说。

引力波是什么呢？

广义相对论预言了引力波的存在，引力被归因于时空的弯曲。假如宇宙是一张蹦床，有质量的物体出现在蹦床上时，蹦床就会变得弯曲。质量越大，扭曲越大。超大质量的天体相互碰撞，会在宇宙这张大蹦床上引发以光速传递的引力波，将这一事件信息传递到宇宙的每一个角落。

引力波在宇宙中无处不在，并且不受任何阻碍，通过它我们可以看到常规观测手段看不到的很多东西。比如看不见摸不着的“暗物质”和“暗能量”，就都是通过引力效应被人们认识到的。

理解“引力本质”和“引力波属性”是21世纪基础科学的重大问题。未来，当广义相对论与量子力学得到成功统一，引力波的传播可用引力子来解释，这将导致引力量子场论和量子时空动力学的发展。对引力本质的研究，将导致量子引力、物质与时空统一理论等的建立，引发对于宇宙起源等基本问题的更深刻认识。

它是标准模型的最后一块拼图，一旦我们深入了解它的特性，补完这块拼图，物理学将超越标准模型、超越爱因斯坦，打开新世界的大门，产生上世纪相对论和量子力学那样的跨越性突破。

既然引力波如此重要又无所不在，为何人类花费百年才首次捕捉到它的踪迹？

因为它太弱！在人类发现的自然界四种基本相互作用中，引力是最弱的一种，只有弱作用力的亿亿亿亿分之一。

以LIGO此次观测到的引力波为例。

13亿年前，距离地球约13亿光年外的星空中，有两个黑洞相互绕转，不断吸引，最终合二为一，变成一个黑洞。它俩的结合损失了3个太阳质量，散发出巨大的能量。这能量有多高呢？对比一下，地球上的生物仅靠一个太阳辐射的能量就可以生存长达一百亿年。而双黑洞合并，在不到1秒的时间内，让3个太阳的质量转化为能量，以引力波的形式向四周辐射出去。

然而这样巨大的能量辐射出的引力波，到达地球时已经十分微弱。

美国1999年建成的LIGO工程，旨在建造一个以激光作为琴弦的巨大竖琴，感受宇宙中极高能事件所产生的引力波的拨弄。它拥有两个台址，一个在华盛顿州，一个在路易斯安那州。两个台址分别拥有一对呈L型垂直放置的真空腔，每个臂长达4公里。LIGO通过测量两个相互垂直的激光臂的长度变化来感知引力波。

损失了3个太阳质量的双黑洞合并事件的引力波传到LIGO后，让LIGO两条激光臂产生了极其微弱的长度变化，这个变化比原子核的千分之一还小。LIGO就是测到了如此细微的变化，才让人类第一次听到了引力波发出的脉动！

序曲之后还有主调

引力波已经被美国人发现了，中国人还需要跟着花钱凑热闹吗？

“如果说引力波是一场宇宙交响曲，那么LIGO的成果只是一个序曲，主乐章还在后头。”中国科学院力学研究所研究员胡文瑞院士解释说，引力波包含很多频段，目前所有的地面观测都局限于观测装置的臂长，局限在高频阶段，只能观测到小质量天体合并过程中产生的引力波扰动。地面装置目前最多只有4公里臂长，而如果把探测器放到太空，可以做到百万公里臂长。空间引力波探测，可以覆盖目前地面装置无法涉及的中低频引力波段。“频率不一样，包含的学术内容不一样。引力波低频波段包含的科学内容比高频丰富得多，那不是一个诺奖的问题，而是会取得一连串诺奖级别的成果。”

现在，多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。

1993年欧洲空间局ESA首先提出激光干涉空间天线计划LISA，在低频波段进行空间引力波测量。计划探测的引力波源是双星系、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的并合、普通星系核中大质量黑洞捕获恒星质量黑洞、超致密双星以及大质量天体的爆炸等。2015年底已发射了LISA的关键技术验证卫星，计划于2028年左右发射（可能推迟到2035年左右发射）由三颗各相距500万公里，装有空间激光干涉仪的卫星组进行空间引力波探测。

最近，美国提出的“后爱因斯坦计划”包括两颗星，其中一颗是“大爆炸观测者”BBO，着重于探测地面装置和LISA观测频率之间的中频引力波。日本也提出了在相似频段观测引力波的DECIGO计划。中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以后)产生的引力波。这一波段的探测最有可能发现宇宙起源奥秘。

而我国科学家提出的引力波探测计划，目前有三个。

由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，拟利用西藏阿里地区高海拔的天然优势，开展北半球首个搜寻原初引力波的望远镜计划。中科院高能所副研究员李虹说，阿里望远镜与位于南极的BICEP望远镜原理类似，但精度更高，中美将合作研制。如果现在就开始积极研发，预计3至5年内能建成并投入使用。

中山大学提出的“天琴计划”，拟用20年时间，投资约150亿元人民币，发射三颗地球高轨卫星，在环地球轨道上进行引力波探测。

中国科学院发起的“太极计划”，首席科学家为胡文瑞院士、吴岳良院士，拟投资100亿元人民币，在2030年前后发射三颗卫星组成的引力波探测星组，在绕太阳运行的行星轨道上，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。其技术指标总体上优于LISA的要求，而频率范围覆盖了欧空局LISA的低频和日本DECIGO的中频。

“中国研究引力波的人不是太多，而是太少。”胡文瑞说，这三大计划目前都在方案设计的预研阶段，都还未经过审批正式立项。

“宇宙是一个大尺度的宏观世界，这个世界中的所有物质都有引力场，引力波可以让我们把宇宙看得更远、更清晰。”吴岳良充满期待地说。