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关于印度和中国的引力波探测站 (一)

已有 16968 次阅读 2016-6-5 10:10 |系统分类:观点评述|关键词:引力波探测站,LIGO,,CEGO| LIGO, 引力波探测站, CEGO



关于印度和中国的引力波探测站(一)

(回顾和遗憾)


2月11日,美国引力波实验室执行主任David Reitze教授宣布,已经升级的引力波探测站-advanced LIGO,首次直接探测到爱因斯坦百年前预言的引力波。一时间,四海五洲说LIGO,全球劲吹引力波。 2月下旬以来,在清华大学、中科院理论物理所、国家天文台等接连召开了一系列引力波研讨会。中国科学院主持的‘太极计划’和中山大学主持的‘天琴计划’都在积极申请和安排立项。


在热烈祝贺LIGO同仁探测到引力波事件GW150914, 取得里程碑发现的同时,一些知情人士清醒地意识到:‘中国科学界错过了一个参与重大创新的机会!’ 据‘太极计划’首席科学家胡文瑞院士(图1)介绍, “ LIGO组织除了麻省理工学院和加州理工学院两家牵头单位之外,还成立了LIGO联盟, 因在亚洲缺少一个观测站点,该联盟相关负责人曾来到中国,希望在中国建一个LIGO的测量站,根据胡文瑞的回忆,当时北京天文台做了不少努力,但最终还是付诸东流。后来,LIGO选择了印度。[1]


图1 胡文瑞院士,选自360网站


高能所所长王貽芳院士(图2)指出[2]:“10年前我们(中国)曾与加州理工学院讨论过参加LIGO及aLIGO(LIGO升级版)的可能性,甚至讨论过在中国建设类似aLIGO装置的可能性。可惜均未能实现。原因很多,但主要还是我们推动不力,经费困难,前瞻性不足,早早就放弃了。”




图2 王贻芳院士,选自西安交大网页

关于LIGO与印度的合作,最新的消息是[3]:2016.3.31,美国国家基金委员会主任Cordova女士和印度国家原子能部长Basu签署了关于LIGO-India的理解备忘录(图3),两国之间关于在印度建设第3个LIGO型引力波探测站的合作正式开始。另据报道,印度政府将在15年的时间里为这个观测台项目提供126亿卢比(约合12.16亿人民币元)的资助。




     图3 2016.3.31,美国国家基金委员会主任Cordova女士

         与印度原子能部长Basu签署关于LIGO-India的理解

         备忘录,引自LIGO网站


确实,LIGO的第3个引力波探测站,本来应是LIGO-China(我们称之为CEGO=China Einstein Gravitational wave Observatory);由于得不到明确的支持,后来变成了LIGO-India 当年参加CEGO研讨和申报的七、八十百位中、外科学家,都应该感谢胡文瑞院士,王贻芳院士,张新民教授和杨卫院士[4],谢谢他们记得北京天文台的努力和我们推动LIGO-China的奋斗! 面对美国国家基金委员会当年果断支持LIGO,胡文瑞院士感叹:“现在,我们会说他们好有远见,那我们为什么不能有远见呢?” 面对印度原子能部长与美国国家基金委员会主任签署关于LIGO-India的理解备忘录,我们又应该感叹什么呢?


   即使撇开引力波探测的重大科学意义,完全从实用主义的角度看,在中国建设LIGO的第三个引力波探测站CEGO也是利巨弊微。LIGO型的引力波探测站是最精密的超大型科学探测装置之一,必须采用窄线宽、高功率、高稳定激光系统,必须采用超高均匀、超低损耗、超高反射率的镀膜技术,必须采用大容积真空系统,必须采用超精密自动控制技术,必须采用超高灵敏度隔振技术。在这些方面,我国落后10-20年,在通常情况下,很难有机会与西方开展实质性合作。通过合作共建LIGO的第三个引力波探测站,将很可能在一个较短时期内使我国在激光技术、晶体技术、真空技术、自动控制技术、超微测量和超微隔振技术方面取得全面的大幅度进步。

作为当年的主要组织者之一,看到我们曾全力推动的第三个LIGO型引力波探测站改聘待嫁到印度,看到七、八十位中、外科学家4年的努力付之东流,看到一个据有明显的天时、地利、人和,绝对互利双赢的国际合作项目得不到支持,一个如此重大的科学机遇就此错过,当然有更深切的遗憾,也可能有更多的反思。

愿借助科学网较完整地公开这一段历史,供当年的和今日的参与者及决策者参考,希望不再重复当年的遗憾。由于内容较多,全文分成两部分。这第一部分,主要是回顾在中国推动CEGO 的历史;第二部分将谈谈我们对中国引力波探测的思考与建议。



1.‘宇宙之音’与‘宇宙之耳’


由加州理工学院和麻省理工学院牵头的激光干涉引力波探测站(LIGO)的探测频段在几十至几千赫兹,正好落在人耳可辨的声音频段,被引力波科学家们称之为‘宇宙之音’; 但‘宇宙之音’极其微弱,必须借助极其灵敏的专门探测仪才能‘听’到这美妙的‘宇宙之音’,LIGO型引力波探测站被称之为‘宇宙之耳’。美国的引力波实验室包括两套相同的‘宇宙之耳’,分别位于路易斯安那州的Livingston和华盛顿州的Hanford  LIGO的发起人和领导者当然清楚:一套超高精度的LIGO干涉仪即有能力记录到引力波信号;如有二套相距甚远的LIGO干涉仪探测到同一引力波事件,可排除由局地环境干扰造成的伪引力波,大大提高探测的可信度,但无法精确确定引力波源的方位(θ,φ);如有三套相距甚远的LIGO干涉仪探测到同一引力波事件,则可大大提高探测的可信度和引力波源的定位精度。以刚刚探测到的引力波事件GW150914为例,根据LivingstonHanford两站的位置和探测到GW150914的时间差,可粗略估计该引力波事件之源:位于南天球,可能的方位分布在约有600平方度的区域内,大致如图4中的淡灰色镰刀状区域;假如有第三个引力波站(不妨称作LIGO-3)也探测到GW150914,那么,根据LivingstonHanfordLIGO-3三站之间的位置和探测到GW150914事件的时间差,可基本准确地获得双黑洞的可能方位: 4中的淡灰色镰刀区将缩小为其中的黑色芝麻粒[3]。当然,图4中的芝麻粒位置只是示意图,其具体方位要根据三站的坐标及接收到同一引力波事件的时间差去确定。




    图4  引力波事件GW150914之引力源的大致方位,

         引自LIGO网站


2.中国爱因斯坦引力波探测站(CEGO: China Einstein Gravitational wave Observatory)


上世纪90年代,美国国家基金委、加州理工学院和麻省理工学院先建造了两个LIGO探测站。 但是,他们一直在寻找建设第三个LIGO探测站,即第三只‘宇宙之耳’的机会。建造者第三只‘宇宙之耳’的理想地址,应当尽量远离LivingstonHanford,亚洲和澳大利亚都是优先考虑的方向。中国科学家团队曾是LIGO最先寻找的合作对象之一,中国科学家团队本来有机会在中华大地上建成第三只‘宇宙之耳’。

A. 访问LIGO-Livingston和加州理工学院

那是200312月中旬,我去旧金山参加美国地球物理学会2003年度秋季年会; 会后,飞往路易斯安娜州的New Orleans 第二天一早,租了一辆车,在大范围的藏鳄沼泽区和密密丛林中穿行百余公里,终于到达Livingston, 参观了慕名已久的LIGO引力波探测站。 陪同我参观是一位年轻科学家,他告诉我,有一位中国科学家在这里工作,于是,有幸见到了中国科学院高能研究所的王运永研究员;王教授来LIGO探测站工作已一年有余,不但熟悉LIGO的运行,而且认识LIGO的领导和多位核心成员。 下午,王教授带我去路易斯安娜州的首府Baton Rouge,访问了南路易斯安娜州立大学的引力波实验室,看到韦伯型的铝柱式探测器仍在正常运转。 王教授提出了在中国开展LIGO型引力波探测的想法,‘假如得到LIGO 的支持’,问我愿不愿意回国后推动这一工作,我给出了肯定的回复,他表示马上与LIGO的朋友和领导联系。

2003.12.28左右,我回到北京。很快收到王运永教授和LIGO的隔振系统专家Reccado DeSalvo博士的email和传真,邀请我访问加州理工学院的引力波实验室。 经与国内有关大学和研究机构的同仁商量,决定访问加州理工学院的引力波实验室。正巧,我的访美签证有效期为一年,所以,无需另办签证,即可访问加州理工学院。2004.1.9,即我刚离开美国10天许,又回到加州访问;Reccado DeSalvo博士和王运永教授开车到洛杉矶机场接我去帕萨迪娜。

在访问加州理工学院的LIGO实验室期间,我和王运永教授拜访了LIGO主任Bary Barish教授,执行主任Gary Sanders教授和LIGO项目创始人之一Kip Thorne教授; 1.12 汤克云作了题为“To Start a GO Project in China”的报告。访问期间,得到Reccado博士和加州理工学院物理、数学和天文系资深科学家朱人元(R.Y.Zhu)教授的大力帮助。

对这次访问,LIGO领导层十分重视,在《加州理工学院新闻(Caltech News)》上发了长篇报道[5],并期望美中之间的合作成功,下图是该报道引用的照片。照片中,从左至右:汤克云,朱人元教授,Reccado博士,LIGO副主任Sanders教授,LIGO主任 Barish教授,王运永教授。

 

B. 20043月的引力波探测国际研讨会

回京后,我向中国科学院国家天文台、中国科学院上海光机所、中国计量科学研究院、中国机械科学研究院、中国科技大学、北京师范大学、北京大学、清华大学、浙江大学、上海交通大学、中国科学院地球物理所的同仁和有关领导通报了这次访美的进展,得到国家天文台领导艾国祥、王宜、薛随建的坚决支持,并得到全体同仁的一致回应:在中国推进与LIGO的合作。

首先,我们于32-4日在中国高等科学技术中心举办了‘引力波探测国际研讨会’,周又元院士、许厚泽院士、干福熹院士和汤克云等主持了研讨会;美国加州理工学院的代表朱人元教授、DeSalvo博士、王运永教授,意大利引力波探测站(VIRGO)的代表张舟博士,日本东京大学TAMA引力波探测站的代表朱宗宏博士应邀与会并作报告,分别代表各自所在的引力波探测站支持在中国开展引力波探测;我国资深科学家刘辽先生(北京师范大学),尤峻汉先生、潘惠宝教授(上海交通大学)和台湾清华大学倪维斗教授(台湾清华大学)等参加了研讨会,科技部基础司的领导马燕合司长也参加了研讨会。

据不完全记录和记忆,北京师范大学赵峥教授,华中科大陈应天教授和罗俊教授,理论物理所郭汉英教授、张元仲教授,中国科大张杨教授、袁业飞教授、张子平教授、汪晓莲教授,上海光机所徐军教授、陈卫标教授、邵建达教授,高能所李永贵、黄超光教授,浙江大学林强教授,中国机械科学研究院康飞教授,重庆大学李芳昱教授,河南地震局池顺良教授,中国计量科学院郭有光教授、钱进教授、中国科学院国家天文台张洪起教授等参加了会议。会上,聘请几位院士任中国引力波研究顾问,并成立了联络小组。会后,中国科学院国家天文台聘任我为客座研究员、项目科学家,负责与LIGO等国际引力波探测机构的合作。嗣后,北京大学范祖辉教授、清华大学邓景康教授、国家天文台张承民教授、国家授时中心张首刚教授、浙江大学陆璇辉教授等加入联络小组。

C. 访问VIRGO引力波探测站,参加国际引力波探测委员会会议

20047月中旬,经加州理工学院DeSalvo博士和VIRGO的张舟博士介绍,汤克云和中国计量科学院钱进教授访问了位于意大利比萨附近的欧洲引力波探测站(VIRGO),拜会了欧洲引力波探测理事会主席G.Losurdo教授, VIRGO 探测站主任F.Menzinger教授和总工程师 B.Giazotto教授。汤克云作了题为“CEGOChina Einstein Gravitational wave Observatory”的报告。此次访问,获得了VIRGO方面对中国引力波探测的支持。

结束了在VIRGO的访问后,汤克云于7月下旬,应引力波国际委员会(GWIC= Gravitational Wave InternationalCommittee)的邀请,转赴爱尔兰都柏林参加该委员会会议,报告了在中国推动引力波探测的计划。 国际委员会承诺,将支持中国的引力波探测计划。

D. 访问日本TAMA和再访问加州理工学院

2005年春,经朱宗宏教授介绍,王运永教授访问了日本引力波探测站TAMA

20059月,汤克云再访加州理工学院,同Barish主任和继任执行主任Stan WhitcombReccado DeSalvo博士, R.Y.Zhu教授就人才交流和引力波小型实验室建设问题进行了讨论。

E. 访问澳大利亚AIGO引力波探测站

200510月,我应澳大利亚引力波探测站(AIGO=  Australia InterferometerGravitational wave Observatory) 主任David Blair教授邀请赴珀斯访问AIGO,并参加了引力波探测国际研讨会。作了题为“A Feasible Roadmap for CEGO”的报告。

F. 香山会议及有关研讨会

在召开了20043月的引力波国际研讨会后,中国物理学界以极大热情关注中国与LIGO的合作,先后在一系列会议上热烈讨论了在中国开展引力波探测的问题。包括《2004年中国引力与相对论天体物理年会》(杭州,20046月),《2004年中国天文年会》(厦门,200411月),《国际物理年学术会议》(四川平武,20058月), 258次香山会议(数学物理发展前沿,2005.8),第263次香山会议(相对论物理学100年的发展与展望,2005.9)。

在有关会议上,丘成桐院士、陆埮院士、王育竹院士、贺贤土院士、庄逢甘院士等参加了关于在中国开展引力波探测可能性的热烈讨论。贺贤土院士说:引力波探测至关重要,张元仲教授、乔国俊教授、汤克云教授、李芳昱教授、罗俊教授等都有很好的想法,建议开一次专门的香山会议。我是激光核聚变方面的首席,在光学加工方面有条件,如你们有需要,可以提供帮助。

当时遇到的主要质疑意见有两条,一是,‘即使做出来了,诺贝尔奖是人家的,你们也拿不到’,二是,‘你们没有做引力波探测的经验’。针对这些质疑意见,庄逢甘院士说:你现在不干,永远干不成,不一定非要拿诺贝尔奖,科学上有价值,就可以干。关于引力波,总觉得国内应该把它弄起来,开个专门的香山会议。

2008.11,终于召开了关于引力波的香山会议,即第332次香山会议--引力理论和广义相对论的空间实验检验。

G. 《Science》的采访和报道

美国方面对与中国方面的合作十分重视。2004.4,他们请《Science》在帕萨迪纳的记者Elena Giorgi采访了Bary Barish教授和DeSalvo博士,请《Science》在北京的记者丁逸旻采访了中国科学院基础局局长张杰院士和汤克云。采访报告“China:Underground Detector Proposed to Join Hunt for Gravitational Waves”发表于《Science》第304卷,第5669期(2004.4.16)(下图)。向全世界宣告,中国将加入引力波探测的国际行列。报告中,Barish教授特别强调:“I wanted the Chinese to know that other scientists take the project seriously.” 这就是说,美国、欧洲的引力波科学家十分认真地看待中国提出的建设LIGO型地下引力波站的计划。 如我在第一节所说,需要3个站,才能较好实现引力波的探测;他的潜台词是:他们将中国的 CEGO看成是第3个LIGO探测站,对共同实现引力波探测的突破,这3个站被寄予同等重要的期望。



H.分别与LIGO、VIRGO签署理解备忘录

2004.4,国家天文台台长艾国祥院士和LIGO主任 Bary Barish教授分别代表中国国家天文台和美国引力波实验室签署了理解备忘录(MOU);

2004.7,国家天文台台长艾国祥院士和EGO主任 Menzinger教授分别代表中国国家天文台和欧洲引力波实验室签署了理解备忘录(MOU)。

I.国际引力波专家频繁来访和讲学

2004年、2005年、2006年和2007年,我们(朱宗宏、王运永、钱进和汤克云)邀请美国、意大利、德国、澳大利亚和日本的引力波科学家来讲学和参加研讨会, 有LIGO的Reccado DeSalvo,R.Y.Zhu和陈雁北,意大利的张舟、Rugero Stanga和Flavio (INFN),当时在德国马普研究所工作的温琳清博士,德国爱因斯坦研究所的Rüdiger教授,澳大利亚的David Blair教授、鞠莉教授和赵春荣博士,日本引力波探测站主任黑田教授。其中,Reccado DeSalvo博士、R.Y.Zhu教授、陈雁北教授,张舟博士、温琳清博士、Rüdiger教授、Blair教授、鞠莉教授和赵春荣博士皆是多次来访。


3.万事俱备,只欠东风

在中国建设LIGO型引力波探测站的可行性路线图。我在澳大利亚引力波研讨会作报告时(题目是:A Feasible Roadmap for CEGO)说,我们的计划分为三步:第一步,组织一批青年科学家去美、欧、澳、日的引力波探测站学习;第二步,在 LIGO、VIRGO、TAMA、AIGO的帮助下,建设一个引力波探测原型机实验室;前两步,约需3-4年;第三步,在我国华北或西南地区选址,建设一个LIGO型的地下引力波探测站。

为此,我们组织队伍,先后於2004年、2005年和2006年,以《中国引力波探测站的前期研究和原型机研制》为题,申请973项目。这三年中,参加申报的主要骨干成员包括上海光机所的干福熹院士、林尊琪院士、范滇元院士,朱小磊、沈卫星、陈卫标、周圣明、周国清、易葵、晋云霞;高能所的王运永;国家天文台的张承民、林刚华、王东光、汤克云;北京师范大学的朱宗宏、赵峥,中国计量科学研究院的钱进、郭有光、李锐、张恒、石春英;中国机械科学研究院的康飞、周玉杰、郑裕文、岳安钊、佟丽萍,中国科技大学的张杨、张子平、林宣滨、伍健、许立新,清华大学的沈厚发、周彤、钟宜生、荆涛,北京大学的范祖辉,浙江大学的林强、陆璇辉等。当时在国外从事引力波研究和探测的青年才俊们表示,如果中国的引力波站上马,会以各种方式支持,包括直接回国。

客观地说,当时依托上海光机所、国家天文台、高能所、计量科学研究院、机械科学研究院、北京师范大学、中国科技大学、清华大学、北京大学、浙江大学组建的这支队伍,在天时、地利、人和方面都握有绝佳的优势。假如辎重粮草无虑,将士奋力用命,加上与美、欧、日、澳的合作模式,基本可保证探测站建设的可行性。果如是,经过8-10年的努力,在中国建成第三个advanced LIGO型探测站,并与Livingston和Hanford的LIGO站一起,探测到GW150914,是极有可能的。

遗憾的是,三次申请的经费仅为3800万元至4300万元,均未获得批准。更令人遗憾的是:从来没有人正式通知我们,‘LIGO-China=CEGO’的申请报告为什么不行。今日谈起这段往事,不是为了埋怨什么人,而是希望,凡事都应有明确的子丑寅卯。 当年不明不白的不资助没有道理,今日讲不清同意资助的原因也未见得科学合理。实事求是地说,接触到中国引力波探测项目(CEGO)申请的领导者,包括科学院、基金委和科技部的司、局长、学部主任和更高层次的领导,许多个人表示了各自的正面意见。

万事俱备,只欠东风。 东风是什么?不完全是钱,也不完全是领导的‘眼光’,而是缺乏一个‘专业理性’‘独立自主’、‘公开透明’、‘永久负责’的评估机制作出科学、有权威的判断。据知,973项目共有17位总评委,分别代表农林牧副渔,金木水火土,电磁声光热各领域的想法和利益,如何能让大多是外行的总评委们科学、理性地评估陌生的引力波探测?

错过了这样一个重大的创新机遇, 权当交了学费吧。 往者不可谏,来者犹可追。作LIGO型或LISA型引力波探测,主要是一种跟踪行为, 中国科学家还应当在跟踪中作出自己的原创性贡献。作为宇宙间最基本的四种作用力之一, 尚有许多未彻底解决的重大科学问题。我们将另找机会,谈谈对中国引力研究和引力波探测的思考和有关建议,诸如

 1) LIGO和LISA采用的四极子引力辐射理论,是完备和唯一的吗?

 2) LIGO和LISA采用的激光干涉方法是探测引力波的唯一有效方法吗?

 3) 有了三个LIGO型引力波探测站,是否可完全准确确定引力源的位置?

 4) 如何测量引力波和引力场的传播速度?


参考文献:

[1]  邱晨辉 刘甦 玄增星,《中国与发现引力波的LIGO团队遗憾擦肩,只因“没经费”》,

    中国青年报,2016.2.17;

[2]  王貽芳 齐芳,《LIGO發現引力波, 對科技體制改革的啟示》,光明日报,2016.2.19

[3]  LIGO网站;

[4]  邱晨辉,《引力波﹐我们错过一次就够了》,中国青年报, 2016.3.11

[5]  LIGO Caltech News,2004-04-03









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