吴岳良院士谈太极计划与中国引力波研究

吴岳良院士谈太极计划与中国引力波研究

“太极计划”是中国引力波探测计划之一，于 2008 年提出。著名理论物理学家、中国科学院大学副校长吴岳良院士是太极计划的首席科学家。吴岳良院士于 1987 年在中国科学院理论物理研究所获得博士学位，之后在德国多特蒙德大学、美因茨大学、美国卡内基梅隆大学、俄亥俄州立大学工作，1996 年入职中科院理论物理所，2007 至 2012 年任所长，并于 2006 年起兼任中国科学院卡弗里理论物理研究所所长，2007 年当选为中国科学院院士。

吴岳良院士的研究领域包括基本粒子物理学，量子场论，对称原理和宇宙物理学。近年来，他致力于提出一种新的引力量子场论，以调和广义相对论与量子力学。广义相对论悬而未决的最基本问题就是如何与量子物理定律相统一，得到完整、自洽的量子引力理论。为此，吴岳良院士建议在量子场论框架下引入基本引力场（作为定义在整体平坦和局域平坦双标架时空上的规范型矢量场，刻画局域平坦的非对易引力场时空）。

自2012 年起，吴岳良院士与胡文瑞院士一同担任太极计划首席科学家，推动全国范围内的引力波研究。《国家科学评论》（National Science Review, NSR）与吴院士就引力波研究的前景，中国的引力波研究的发展情况，特别是太极计划的进展进行了交流。

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NSR：您能否简单介绍一下引力波研究的重要性？为什么

吴：一百年前，爱因斯坦根据广义相对论预言了引力波的存在。LIGO 成功探测到引力波，完成了对广义相对论预言的最后一项检验。

不过这并不只关乎理论。引力波给我们带来了理解世界与宇宙的全新方式。由于引力波与物质相互作用很弱，可经过长距离的传播，而它的信号很微弱，很难探测。但也正因如此，它可以更好地帮助我们观测宇宙深处。在经历了暴胀之后，宇宙如今的组成中有95% 是暗物质与暗能量，我们对此知之甚少。通过掌握引力波的探测、测量和分析，我们将更深入地研究宇宙的形成和演化。

引力波探测本身也至关重要。在这一点上，电磁波是个极好的先例。海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在 1888 年通过实验证实了电磁波的存在，之后，不同波段的电磁波陆续被探测到，并在我们的生活中得到了广泛应用。引力波将来也很有可能被广泛应用于日常生活。而现在，引力波的研究才刚刚起步，中国完全有理由去发展这一领域。

NSR：引力波研究对于中国科学的发展有哪些具体的好处？

吴：引力波研究是最前沿的基础科学研究，它涵盖了物理学，光子学，天文学，宇宙学，精密测量，导航技术，材料科学和空间工程。今后我们对引力波的测量可能达到皮米量级（1/1000 纳米）。通过积极参与引力波研究，我们可以在这些领域达到、甚至保持领先地位。虽然 LIGO 已经探测到了两个引力波事件（译者注：现在已经有六个了），证实了引力波的存在，但是引力波本身的特性尚不明确。因此，中国科学家应该与国际同行一起，努力探索这些未知的问题。

引力波的探测确证了爱因斯坦的广义相对论，但其意义不止于此。广义相对论是一个经典的理论，而引力波研究可以带来对于未知宇宙的很多新认识、新发现，比如研究超大质量黑洞的形成，为统一广义相对论和量子理论提供线索。在这方面，中国科学家的研究已经能与国际同行并驾齐驱。引力波的研究若能处于领先地位，便可以增强我们的优势。

当然，正如其他大型科学项目一样，推进这样一个前沿研究可以促进中国的高新技术、工程和设备的发展，这又可以促进国内的工业发展，从而推动社会和经济的进步。

除基础研究之外，积极参与引力波研究还将为我们带来更为健全的科学政策和管理体制。LIGO 就是个很好的例子。在 2015 年第一次探测到引力波之前，科学家们已经在那里工作了 40 年，相关机构在此期间持续地提供了资助。这表明，我国五年计划的方式已经无法适应当前前沿基础研究的需要。我们需要十年或十五年计划来规划重大基础研究项目。

NSR：那么中国科学家对于引力波研究有哪些计划？它们的进展如何？

吴：太极计划可以追溯到2008 年，在香山科学会议（小规模的顶级学术研讨会，旨在讨论中国科学界的重大事件）中被提出，不过当时它的名字还不是“太极计划”。这是一个空间引力波探测项目，计划发射三颗卫星，在绕日轨道上形成一个（等边）三角形，卫星之间相距300 万公里。卫星上搭载的探测器将能测量大范围的中低频段引力波。我们计划在2033 年左右发射卫星。

与LIGO 和其他地面探测项目相比，空间探测可以有效地避免地球上的噪声和信号干扰，并且达到较高的热机械稳定性，从而在更宽的中低频段上获得更加精确的引力波信号。此外，LIGO 和其他地面探测计划已经部署了 40 年。与之相比，我们在地面探测引力波项目方面没有竞争优势。

不过在地面探测方面，我们也有由中科院领导的“阿里计划”。该计划将通过测量宇宙微波背景（cosmic microwave background , CMB）辐射的偏振模式，来研究宇宙大爆炸产生的引力波。该项目将在位于西藏的中科院国家天文台阿里观测站开展。西藏空气稀薄，水汽含量少，环境清洁，可以大大降低探测 CMB 辐射时的环境噪声。阿里计划由中科院高能物理研究所主导，张新民研究员为该计划的首席科学家。

另一个项目是使用脉冲星测时阵列来探测引力波信号。由北京大学李柯伽研究员领导的脉冲星测时阵列引力波探测项目（以下简称脉冲星测时项目）将充分利用FAST（五百米口径球面射电望远镜），来寻找时空中的引力波效应：引力波会导致电磁脉冲的到达时间发生变化。通过分析这些信号，我们不仅可以探测引力波，还可以测量引力波引起的物理效应。

在空间引力波探测方面，除了太极计划，还有另一种方案：中山大学校长罗俊院士发起的“天琴计划”。和太极类似，天琴计划将发射三颗卫星，但是它们是绕着地球转的。罗俊院士认为这种方案的技术难度比较小。天琴计划与太极计划有着不同的目标引力波源和频段。

NSR：这些计划的预算和资金状况如何？中国的研发支出增长迅速，但基础研究获得的资金仅占总支出的

吴：太极计划预算约为150 亿元人民币。由于项目跨度在 20 年左右，平均每年的预算约为 7 亿元人民币。我们认为这个数额是合理的。项目每个阶段所需的资金取决于前期的进展情况。随着经济的发展，后期资金投入所占比例将会减少。

国家对于这个计划的支持不会影响其他科研项目。因为政策支持一旦落实下来，项目经费就会采取专项资金的形式，不再分占常规基础研究经费中的份额。

阿里计划，脉冲星测时阵列和天琴计划都有自己的合理预算。目前，这些计划的前期准备工作主要由中国科学院战略性先导科技专项（B类）和国家自然科学基金委（NSFC）支持。我们希望政府将来为引力波研究提供大力支持。

NSR：那么这些引力波项目之间是否存在竞争关系？

吴：就像之前提到的，太极、阿里、脉冲星测时阵列这几个项目都有各自的科学目标。阿里可以说是一个近期项目，因为它已经拥有很好的条件。而脉冲星测时阵列和太极计划分别是中期和长期计划。所以阿里在前期获得更多的经费支持是合理的，因为它相对更加成熟。

三者之间由于科学目标、实施阶段和观测/测量目标的不同，形成协作关系而非竞争关系。科学家和工程师可以在这几个项目之间自由调动。

NSR：中国科学界为实施这些引力波探测项目做了哪些准备呢？

吴：虽然中国目前还没有像LIGO 这样的大型引力波探测设备，但是许多科研机构已经对引力波进行了独立的研究。我们密切关注着该领域的国际进展。自2008 年香山科学会议以来，我们已经举办了三次同水平的高级会议，并且早在2016 年首次探测到引力波之前就制定了战略规划。

其中一个重要方面就是参与欧洲空间局（European Space Agency , ESA）的空间引力波探测项目——激光干涉空间天线阵（eLISA），该项目始于2012 年。欧空局最初建议我们为该项目提供 20％ 的经费，但我们坚持承担 20% 的技术和仪器研发工作。这为开展太极等项目打下了良好的技术基础。

目前，中科院的研究所和一些高校联合开展了与引力波探测有关的核心技术的研究工作。例如，我们发展了用于引力波探测的光学望远镜技术; 中科院上海微小卫星工程中心拥有相对成熟的卫星研发和制造技术; 中科院的科学家研制出能够达到引力波探测要求的高精度角度仪。中国去年还发射了微重力测量小卫星。这颗卫星由胡文瑞院士领导的科学团队研制，为空间引力波探测奠定了良好的基础。

中国在激光干涉仪系统的研发上起步较晚，但我们正在奋力追赶。中科院力学研究所开发了一种空间激光干涉仪，精度再提高一个数量级即可满足引力波探测的需求（目前地面测试的精度已初步达到要求）。

NSR：您刚才提到了与欧空局的合作。中国在引力波研究方面的国际合作情况如何？

吴：一直以来，中国都积极参与引力波研究的国际合作。在过去的五年里，我们每年都与德国进行引力波研究的双边会议。实际上，我们一直坚持“两条腿走路”的原则：在参与欧空局 eLISA 项目合作的同时，也提出了自己的太极计划，而且太极的目标更为宏大。eLISA 的三颗卫星间距 200 万公里，而我们的计划是 300 万公里，可以覆盖更多的频段。eLISA 为了节省成本设计了两路激光干涉，而太极的目标是六路激光干涉，这意味着三颗卫星中的任意两颗之间的信号都可以用来探测引力波。因此，它可以对引力波信号进行交叉检验。同时，太极还可以测量引力波的极化，帮助我们研究暗能量的本质。我们一直对国际同行保持开放资态，我们取得的进展也深受他们的欢迎。未来，我们将组成“太极联盟”，在国际上进一步引领引力波研究。

（本文转自科学网）