近期，山西對接國家戰略需求，正在積極推動引力波探測大型地基觀測裝置建設，這項大科學裝置建設成功后將填補我國地面直接探測引力波技術空白。

探索宇宙奧秘的地基引力波大科學裝置落戶山西

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，這一革命性的時空引力理論帶來神奇的黑洞和宇宙大爆炸等諸多預言，同時徹底革新了先前對時間與空間的理解。廣義相對論認為，時空就像是一張巨大的橡皮膜，有質量的物體會使時空發生彎曲，而這彎曲了的時空，則會反過來告訴物體如何運動，引力波就是時空彎曲程度的波動，由于它到達地球時已非常微弱，也被形容為“時空漣漪”。直到引力波概念誕生100年后的2015年，人類第一次通過高精度激光探測裝置捕捉到了它，為探索宇宙打開了一扇全新的窗口。

山西地基引力波探測項目工作組組長、山西大學教授賈鎖堂說：“引力波的直接探測是對宏觀世界進行探測，通過探測能研究宇宙演化的規律，了解宇宙的運動。”山西地基引力波探測項目總工程師、山西大學光電研究所教授鄭耀輝形象地把電磁波觀察宇宙的手段比作“看”，把引力波觀察宇宙的手段比作“聽”。如果既能“聽”又能“看”，就能了解宇宙更全面一些。也有科學家把引力波的探測形容為觀察宇宙的第六感。

與用電磁波“看”宇宙不同，用引力波“聽”宇宙是當今世界前沿科學課題。鄭耀輝說，引力波探測大科學裝置是邁克爾遜干涉儀，它有兩個相互垂直的干涉臂，但它又不是簡單的邁克爾遜干涉儀，它個頭非常大，集成了全球最尖端的技術。它的真空度非常高，是標準大氣壓的一百億分之一;它的激光器噪聲非常低，是日常噪聲的十億分之一;它選用的光學鏡片損耗非常小，如果300萬的光子打到鏡片上損耗僅一個光子;它的面形非常卓越，要把一個直徑是50厘米的鏡片，打磨到光潔度達到一個原子直徑的量級，它集最前沿技術于一身。賈鎖堂稱它是國之重器，縱觀科學發展史上，很多重要的物理事件的發現，重要的科學成果誕生，都是在大科學裝置上完成的。它是進行基礎研究、交叉學科研究、技術和工程研究的重要平臺，既彰顯國家的科技水平，又是吸引全人類的優秀人才和一流科學家前來工作的重要基地。

中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所所長蔡榮根介紹，目前國際上地基引力波探測裝置正在運行的有美國LIGO、歐洲Virgo和日本KAGRA，印度正在準備建設LIGO-India。第三代地基引力波探測裝置規劃中的有歐洲愛因斯坦望遠鏡ET、美國宇宙勘探者CE。空間引力波探測，歐洲和美國NASA正在進行LISA項目，預期2035年前后發射三顆衛星到太空探測空間引力波。脈沖星測時陣列引力波探測，澳洲、歐洲、美國各有一個項目，還有一個國際聯合項目。我國依托天眼可以探測納赫茲引力波。通過宇宙微波背景輻射來探測引力波，我國部署了阿里項目，正在積極推進中。空間引力波探測項目，我國有中國科學院主導的太極計劃、中山大學主導的天琴計劃，第一代實驗衛星都已經發射成功，正在積極推進。此次山西大學部署地基引力波探測，正好填補了國內在這方面的空缺，非常重要。

建造第三代地基引力波探測器，山西有著得天獨厚的優勢

山西積極推動基于量子光源的引力波探測大型地基觀測裝置建設，最終總體目標將建造10公里左右的地下超長地基引力波探測裝置;獲得相應測試頻段的引力波探測事件;集聚約500人的研究隊伍，帶動山西乃至國內相關學科基礎科學研究和光機電產業。

山西的地基引力波探測器臂長10公里，這也是目前世界上準備開建的最長的引力波探測器。鄭耀輝說：“目前在運行的引力波探測器最長的是美國的LIGO，臂長是4公里，我們認為這個引力波探測器的靈敏度還不夠，需要建設更靈敏的第三代引力波探測器。當前，國際上正處于第二代到第三代轉換過渡的關鍵時期，如果我們介入第三代引力波探測器建造，我想會實現在引力波探測方面的彎道超車。這既是機遇又是挑戰，第二代到第三代的升級，要求真空度再提升一個數量級，激光器的噪聲再降低一個數量級，每一個環節的技術難度已經很高了，若要把這幾個環節疊加起來的話，這真是難上加難的事情，但是我們已經做好準備面對挑戰。”

地基引力波探測是量子前沿技術和宏觀尺度宇宙學研究的交匯點，建造這個國字號大科學裝置，山西有著得天獨厚的優勢。量子光源是引力波裝置的關鍵技術之一，由于引力波探測器接收的信號非常微弱，需要無限地降低系統可能產生的噪聲，此次應用的量子光源系統的噪聲非常低。山西大學光電研究所科研團隊早在1992年就在全國第一個制備出量子光源，近30年來，他們的研究成果一直處于世界領先水平。地下300米左右的礦井巷道提供了建設引力波大科學裝置的理想環境，山西擁有不少廢棄礦井巷道，而利用廢舊礦井建造基于量子光源的引力波探測大型地基觀測裝置，能減少建造成本，同時裝置受環境影響小。

大科學裝置衍生技術可以給生產生活帶來巨大的影響

鄭耀輝認為，大科學裝置是多學科、多種高精尖技術交叉的裝置，單單依靠山西大學的力量完成起來有難度;大科學裝置建成后的長期運轉更是偏向于工程學的課題，雖然目前許多工作是在實驗室，長遠看，還需要實驗室成果有效地向工程運用銜接和轉換。賈鎖堂認為，大科學裝置建成后，要不斷進行技術更新和升級，還要向更高的目標去邁進，運行維護也是一個系統工程，更需要科學地進行管理，才能把大科學裝置利用好。要想破解難題，著力點放在哪里?蔡榮根給出建議，必須結合國內研究力量，也要積極吸引國際研究力量，加強國際合作，對地基引力波探測而言，畢竟歐美國家有更長的研究歷史，積累了許多豐富的經驗，積極吸引國際的優秀力量來參與我國的引力波探測非常必要。

山西建設地基引力波大科學裝置是劃時代的科學進步。看看已經落地的地基引力波大科學裝置給生產生活帶來了什么變化?德國馬克斯-普朗克引力物理研究所研究助理劉見介紹，在德國，有一家名為Innoseis的公司，利用LIGO-Virgo地面振動傳感器的原理，為殼牌(Shell)公司研發了一款新的石油天然氣探測器，相比原來昂貴笨重的探測器而言，這款新的探測器體積更小、質量更輕、成本更低，更加適合大規模采用，這樣一來，殼牌公司節省近1億美元開采成本，并且還能夠擴大石油天然氣的探測范圍。在英國的一個研究小組，利用給干細胞施加納米量級的微小震動的方法，促使干細胞朝成骨細胞的方向轉變，它測量納米量級微小震動的方法就使用到引力波探測中的激光技術，這項新技術可以用來培育干細胞，促進骨骼再生，用于治療肢體受損修復等。

賈鎖堂說：“大科學裝置建造的過程中，所催生的新技術都是難以預想，難以預先判斷的。正如互聯網技術是高能物理的一個副產品，世界各國的高能物理學家利用高能加速器研究基本粒子時，衍生出信息交換技術，科學家逐步把寬帶、通信技術、互聯網技術發展起來。所以我相信，通過引力波的探測，在大科學裝置的建設中，也會催生出很多精彩的技術。”鄭耀輝感嘆，許多技術創新是在前沿科學研究的驅動下出現，創新后技術又會服務前沿科學研究。他認為，進行前沿科學研究的同時，應積極和一些相關應用對接，把技術推廣到更多的國民經濟領域，服務日常生活的方方面面。(沈佳 記者 王海濱)

關鍵詞： 引力波大科學裝置