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从引力波的发现看大科学装置的作用 精选

已有 5599 次阅读 2022-8-9 15:15 |系统分类:海外观察

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从引力波的发现看大科学装置的作用

谷昭逸  李侠

(上海交通大学 科学史与科学文化研究院)

一、大科学时代与大科学装置的兴起

“大科学”(Big ScienceMega ScienceLarge Science)的概念是由美国科学学家普赖斯于1962年率先提出,在他著名的《小科学、大科学》的演讲中,他认为世界自二战时期起已经进入了大科学时代。在小科学时代,科学家或工程师能凭借个人的财力和兴趣投入有限的资源从事科技创新工作,科研活动整体呈现一种分散、个体或小集体的形式特点1。与之相对的大科学的具体特点为研究目标宏大、多学科交叉、实验设备昂贵、投资强度大、科研成果重大、大量人才聚集等2。大科学装置是典型的大科学时代科技发展的产物。

大科学装置隶属于重大科技基础设施一类,但何谓“大科学装置”尚没有统一的定义,目前学界通常将“大科学装置”定义为:需要通过较大规模的投入和工程建设来完成,建成后可以通过长期的稳定运行来持续地为科学技术活动、科学技术前沿突破提供巨大帮助的大型设施3。在大科学的时代背景下,从事前沿科学领域研究的门槛越来越高,其中的一个主要障碍就是离不开大科学装置的协助。

     天文学是一门将观测与理论紧密结合的学科,随着人类可观测到的宇宙范围在不断扩大,科学家们对于天文观测仪器的精度和准度也提出了更高的要求。相较于早期基础的折射望远镜和反射望远镜,如今的现代大天文望远镜通常都具备大镜面、拼接镜、主动光学等特点。除了地面上的大型望远镜之外,天文大科学装置还包括观测卫星、空间望远镜等游弋在宇宙中的观测仪器。天文大科学装置的使用不仅能产生天文学领域的巨大突破,还能带动相关科学技术领域的发展。

二、天文大科学装置的涌现与引力波的发现

基于科学史的梳理可以发现,引力波自1916年提出直至2015年得到证实,对它的研究不间断地持续了一个世纪,算得上是物理学史中跨度较久、延续时间较长的一个代表性问题。

引力波概念最早是由物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在1916年发表的广义相对论中提出。爱因斯坦认为引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量,简单来说引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波4

引力波概念一经提出便引起整个科学界的轰动,各国科学家立刻投身于证实引力波存在的工作中。由于引力波的探测属于物理学与天文学交叉的领域,对其性质的揭示有助于人类对宇宙性质的理解,引力波很快成了国际学术研究的热点之一,在攻克这个难题的道路上,很多科学家做出了伟大的工作,其中标志性的工作有如下两项,1993年和2017年的诺贝尔物理学奖也正是授予了推动引力波研究的五位科学家。

美国物理学家拉塞尔·赫尔斯(Russell A·Hulse1950-)和另一位美国物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph H·Taylor1941-)因发现脉冲双星PSR1913+16,并通过计算相关数据得出引力波存在的间接证据,凭借该项成果获得1993年的诺贝尔物理学奖。

赫尔斯和泰勒利用位于美属波多黎各岛山谷中的阿雷西博射电望远镜,对脉冲双星PSR1913+16进行观测,发现脉冲双星的轨道周期在不断减小,并意识到这两颗星在越来越紧缩的轨道上越来越快地互相绕着旋转。虽然这种变化是非常小的,仅为轨道周期每年大约减1秒的百万分之七十五5,普通仪器很难观测到,但阿雷西博射电望远镜因为功能强大便足以观测出该结果。这种微小的变化可以用爱因斯坦的广义相对论理论很好地解释,有力证明了脉冲双星正在以引力波的形式不断发射能量。于是该观测结果和结论成为证明引力波真实存在的一个强有力的间接证据。

阿雷西博射电望远镜建成于1963年,建成时直径为305米,后扩建升级为350米,建成时是当时世界上最大的天文射电望远镜。阿雷西博射电望远镜配备了一部波长为126厘米,发射功率为百万瓦的发射机和双偏振接收机,工作频率达到了0.05-10 GHZ,出色的收放能力使其满足了观测脉冲双星的硬性指标。赫尔斯和泰勒凭借阿雷西博射电望远镜出色的性能,率先观测到了脉冲双星的存在,并对脉冲双星进行了长期的观测,得到了其20年的轨道周期值,为他们之后的计算工作提供了第一手的数据来源。

脉冲星的辐射一般是很弱的,当时观测到的最弱的脉冲星其流量密度只有0.1毫央斯基,也就是说在地球每平方米每赫兹只接收到10-30瓦的功率。因此射电望远镜就需要拥有尽量大的天线面积、频宽足够宽的接收机才能保证捕捉到如此细微的信号6。当时,阿雷西博射电望远镜正是具备了上述特点才在天文观测领域一枝独秀,使美国科学家在脉冲双星研究领域遥遥领先于苏联和欧洲其他发达国家的科学团队。1977年,苏联在北高加索地区建成直径为576米的RATAN-600射电望远镜,在脉冲双星观测的竞赛中已经处于后发地位。尽管RATAN-600射电望远镜在口径方面超过了阿雷西博望远镜,但其他的硬件配置和科研目标的设定上的落后状态,使其不能满足发现并观测脉冲双星的条件。

20世纪70年代,除了阿雷西博射电望远镜和RATAN-600射电望远镜之外,世界上已经建成的条件精良的望远镜还包括位于德国埃费尔斯贝格和美国格林班克的两台直径为100米射电望远镜。与它们相比,阿雷西博射电望远镜从口径上完胜它们,更不用说阿雷西博射电望远镜的灵敏度也远高于它们

由此可见,在观测脉冲双星的案例中,阿雷西博射电望远镜对于赫尔斯和泰勒的科研成果的取得具有基础性的作用。此后,各国科学界都意识到在天文观测领域中,拥有性能出色的大型天文望远镜对探索宇宙奥秘的重要性,开始在本国建造精度更高、测量范围更广的天文望远镜。

随着科学技术手段的不断进步,科学家开始意识到,要直接证实引力波的存在,依靠传统的光学望远镜和射电望远镜几乎是不可能的,于是建造激光干涉引力波观测器(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ,简称LIGO,国内学界将其翻译为激光干涉引力波天文台,笔者认为应该聚焦于仪器,而不是笼统的天文台)被提上议程。随着第二代激光干涉引力波观测器Advanced LIGO的建成,引力波随即被证实。美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss1932-)、巴里·巴里什(Barry Barish1936-)和基普·索恩(Kip Thorn1940-),他们因建造发现引力波的激光干涉引力波探测器(LIGO)而荣获2017年的诺贝尔物理学奖。

20世纪末期,发达国家诸如美国、德国、日本和英国都开始建造第一代激光干涉引力波探测器,希望能率先证实引力波的存在。进入21世纪后,美国建成了LIGO;意大利和法国合建了位于比萨附近的室女座引力波探测器(VIRGO);德国和英国联合建造了位于汉诺威的GEO;日本建造了东京国家天文台的TAMA300。随着各国大型激光干涉引力波探测器的建成和投入使用,世界各国进入了新一轮的天文观测竞赛。

激光干涉引力波观测器的工作原理与1887年的迈克尔逊-莫雷的实验原理相近,从本质来说是一个精良的迈克尔逊干涉仪7。阿尔伯特·迈克尔逊(Alert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)通过著名的判决性实验测量得到光速在不同惯性系和不同方向上都具有相同的速度,从而否定了以太这种物质的存在8。与之相似的是,激光干涉引力波探测器是通过监测等距且互相垂直的两个方向上干涉条纹的细微变化,若存在细微变化则证明引力波的存在。以位于美国利文斯顿的大型激光干涉引力波探测器LIGO为例,LIGO是由两个直径超过1米呈“L”型放置的空心圆柱体组成,在两臂交会处,从光源发出的激光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,激光束在空心圆柱体内会运行4千米,再被终端的用导线悬挂的带有镜面的重物反射回原出发点,并在那里相互干涉。这时若有引力波通过,便会引起时空变形,即一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短,于是干涉条纹发生变化。因此只要探测到这种变化存在,便可证实引力波的确切存在9

由于引力波的振幅极小,因此在与物质相互作用时所能引起的尺度变化是极小的,这种细微的变化甚至连第一代灵敏度为10-22的激光干涉引力波探测器也无法捕捉到。为了能成功探测到引力波的存在,各国科学家在第一代激光干涉引力波探测器的基础上,将它们升级改造为第二代激光干涉引力波探测器。

在2015年9月14日,美国的第二代激光干涉引力探测器即高级激光干涉引力波探测器(Advanced LIGO)成功观测到了两个黑洞合并产生的引力波事件(GW150914),由此证实引力波的确存在。

Advanced LIGO是以LIGO为基础升级而来的,是当时世界上规模最大、精度最高的引力波观测器。Advanced LIGO是由加州理工学院和麻省理工学院共同负责运行,它由两个干涉仪组成,其中一个干涉仪LIGO位于美国路易斯安那州利文斯顿,另一个干涉仪LIGO位于美国华盛顿州汉福德。其中位于汉福德的观测器双臂长度分别为4千米和2千米,在利文斯顿的观测器双臂长度为4千米,两地相距3002千米10。与第一代LIGO相比,升级后的Advanced LIGO激光功率从原来的10瓦特提高至了200瓦特,探测频道下限从40HZ延伸到了10Hz,并将观测器的灵敏度提高至10-24-10-25这一量级。在当时,Advanced LIGO相较于法国的VIGRO、德国的GEO和日本的TAMA-300,无论是在探测精度、干涉仪双臂长度以及探测频率都优于它们,这使得美国在引力波观测领域遥遥领先。也正是因为这次的全面升级,Advanced LIGO的探测范围和探测能力得到极大提升,为美国科学家优先证实引力波的存在提供了坚实的科研仪器保障。

在证实引力波存在的百年征途上,阿雷西博射电望远镜和Advanced LIGO都证明了天文大科学装置在探索宇宙未知现象中的重要地位,美国也正是因为拥有了当时无出其右的大科学装置才能够拔得头筹,最终获得发现的优先权,进一步强化了在科学界的话语权和科技霸主的地位。

 三、天文大科学装置的价值和作用

通过上述对引力波的提出到最终证实的发展历程的考察,可以看出天文大科学装置在科学发展中具有如下显著作用和价值:

    1.天文大科学装置对天文科学前沿领域突破起到决定性的作用

随着人类能观测到的宇宙范围在不断扩大,原有的技术和观测装置已经满足不了天文学快速发展的客观需求。纵观近年来在诺贝尔物理学奖项上有所斩获的天文学家,他们的成功大都离不开天文大科学装置的帮助。例如2020年的诺贝尔物理学奖授予了德国天体物理学家赖因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel1952-)和美国天文学家安德里亚·格兹(Andrea Ghez1965-),他们通过使用夏威夷凯克(Keck)望远镜和智利的甚大望远镜VLTVery Large Telescope)对银河系中心恒星进行运动学测量,并凭测量结果从动力学角度准确发现了超大质量的致密天体从而获奖。此外,2019年的诺贝尔物理学奖授予了瑞士物理学家米歇尔·马约尔(Michel Mayor1942-)和瑞士天文学家奎洛兹(Didier Queloz1966-),他们因发现绕着类太阳恒星飞马座51运转的系外行星飞马座51b而获奖。他们在观测系外行星飞马座51b时采用了径向速度法的方式,并通过普罗旺斯天文台的埃洛迪射谱仪发现了这颗行星11,这一发现也被利克天文台的哈密尔顿谱射仪的观测数据所佐证。在飞马座51b被发现前的很长一段时间,对于系外行星的观测一直不太顺利,但随着高分辨率光谱学和更加精准的摄谱仪的出现,才使探测由可能转变为了现实。值得一提的是,自马约尔和奎洛兹开启了系外行星探测的序幕后,该领域逐渐成了行星科学和系外行星探测中的热门方向。在系外行星的探测工作中,根据掩星法原理设计的开普勒空间望远镜做出了极大贡献,截至于2019年底,共有4130颗系外行星被确认,其中利用掩星法发现了2962颗,占总数的71.72%,其中开普勒空间望远镜发现了2734颗系外行星,占总发现数的66.20%,占用掩星法发现数的92.30%。除了大型天文望远镜对宇宙探索做出的杰出贡献外,在某些特定领域探测卫星也功不可没。早在1989年,美国宇航局(NASA)发射了一颗专门探测宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background,简称CMB)的观测卫星,即宇宙背景探测者卫星(COBE),在当时以极为完美的精度验证了CMB的黑体分布律以及背景温度,并首次观测到了均匀温度背景下的温度涨落,而这一涨落后来进一步被美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和欧洲空间局的普朗克卫星验证。COBE卫星的发射标志着所谓的“精确宇宙学”的来临,也使得COBE卫星项目的两位首席科学家约翰·马瑟(John Mather1946-)和乔治·斯穆特(George Smoot1945-)被授予了2006年的诺贝尔物理学奖12

由此看来,当下对于宇宙中未知领域的探索,将会越来越依靠这些先进的大科学装置,缺少这些装置的国家甚至可能被永远排除在科学的前沿之外。

    2.大科学装置是科学家获得优先权的强大帮手

就在Advanced LIGO探测到了引力波后,法国的VIGRO就以Advanced LIGO为参照对象,采取了相应的设备升级,并在2016时与美国的两台Advanced LIGO合作,一起证明了在距离地球18亿光年外的恒星质量黑洞合并产生的引力波信号。VIRGO对于引力波的探测,也在一定程度上佐证了在大科学时代一旦有了前车之鉴,“依葫芦画瓢”是件相对容易的事情。当代科研的难点通常在于如何取得原创性的科研成果。

科学社会学家默顿曾指出:科学界的多重发现是科学活动中的一种常态,即远在不同国家的科学家们会在近乎相同的时间段内提出同一种理论或发明13。长期以来,科学发明或发现的优先权之争是科学界最为持久的竞争,因为它是每个科学家获得科学共同体承认的基础,一旦拥有优先权,科学家就能获得比后来者更高的收益。因此,在存在多重发现的背景下,智力水平相近的科学家沿着几乎相同的研究路径与方法,此时实验仪器的精度如何将会直接关系到谁能率先争夺到发现的优先权。从引力波的案例就可以看出,阿雷西博望远镜和Advanced LIGO的出色性能为美国科学家在优先权的争夺中提供了巨大的便利。此外,加拿大天文学家布鲁斯坎贝尔(Bruce Campbell)早在1988年就预言过系外行星的存在,但由于当时观测技术水平有限,观测数据质量不佳,坎贝尔本人和同领域的专家学者对观测结果有所保留。尽管2002年,麦克唐纳天文台凭借最新的观测数据证实了坎贝尔的发现,他也得到天文学界的承认,但却错过了成为首位发现系外行星的科学家的机会,也与诺贝尔奖失之交臂。

    3.天文大科学装置也是国家综合国力的体现

天文大科学装置往往建设周期长,耗资十分巨大,需要政府通过公共财政投入予以支持。早在1990年哈勃空间望远镜发射时,发射成本已经高达12亿美元,算上运行以来的所有维修费用,目前哈勃空间望远镜总共花费了近100亿美元;发现引力波的LIGO天文台造价为20亿美元;最近美国航空航天局、欧洲航天局和加拿大航天局联合研发的詹姆斯·韦伯望远镜(James Webb Space Telescope,简称JWST)也已发射升空,据学者估计其成本高达100亿美元。以我国为例,贵州建成了目前世界上最大射电望远镜天眼(FAST),该大科学工程的建造耗时8年,投资超12亿人民币。因此,耗资巨大的大科学装置建设不是科学界内部可以独立完成的事情,而是需要国家力量的介入。在一定程度上说,通过观察一个国家拥有的大科学装置数量以及对于建造大科学装置的意愿,可以反映出该国对基础科研设施和前沿科学探索的重视程度和投入力度,这也是一个国家综合国力的一个外在表征。

四、我国天文大科学装置的现状及问题

    1.我国天文大科学装置总量偏少

改革开放以来,我国经济实力稳步提升,国家针对科技领域尤其是基础研究方面的投入不断增多,比重也在逐年加大。总体而言,目前我国大科学装置建造工作已经平稳渡过萌芽期和成长期14,与发达国家间的差距正在不断缩小。虽然在大科学仪器数量上已慢慢向发达国家靠拢,但在天文大科学装置数量方面依旧偏少,我国目前仅拥有郭守敬望远镜(LAMOST)、500米口径球面射电望远镜(FAST)、新疆太阳磁场望远镜等少数几台天文大科学装置。

    2.大科学装置研发过程效率低下

目前,我国大科学装置的研发通常采用“牵头人+合作单位”的模式。在这种模式下,牵头人与合作单位的负责人是处于一种平级关系,并非隶属关系,由于双方存在利益诉求的差异,经常出现合而不作的现象。相较于常规的科学装置的开发,大科学装置的研发往往会聚集行业内的顶尖学者,各个合作单位一般是由院士或是长江学者带头,这样顶级的人员配置,会带来研发过程中牵头人的话语权不够,共识难以达成、扯皮敷衍盛行,使得研发效率大打折扣。最后在验收环节,面对行业内的顶尖专家,验收评审人往往会出于一些人情方面考虑而非科学的评估而放水,在一定程度上牺牲了验收评价的客观性15,从而导致某些大科学装置建造成为烂尾项目,即便一些装置勉强投入使用,其实际效果也不明确。

    3.天文领域重大科研成果产出较少

大科学装置的建造都是具有明确的科研目标和国家使命的,主要目的就是为原始创新和原始探索提供全新的素材与载体,并最终将其转化为科研成果。尽管我国科学家也依托FAST射电望远镜、LAMOST望远镜等天文大科学装置在Nature、Science等学术顶刊上发表许多研究成果并获得多项专利,但在获取顶尖科学成就的天平上却依旧寥有所获。在评价科研成果的含金量时,最重要的一个指标就是看是否获得了该领域中最高级别的奖项,具体在天文领域中,最负盛名的奖项有邵逸夫天文学奖、格鲁伯宇宙学奖和诺贝尔物理学奖。目前,我国虽然在天文领域已经产出了一定数量的科研成果,但在我国天文科学家群体中,并没有出现邵逸夫天文学奖得主或格鲁伯宇宙学奖得主,也没有出现过在天文学领域获得诺贝尔物理学奖的科学家。这表明,在天文大科学装置与研究领域,我国与发达国家相比还有不小差距,正所谓:工欲善其事,必先利其器。

五、结语与余论

通过对天文大科学装置在引力波发现中作用的分析,可以明确得出两个结论,首先,未来的许多科学前沿工作一刻也离不开大科学装置的协同,科技前沿竞争日益演变为科技综合实力的比拼。在这份科技综合实力的清单里包括三大要素:人才、制度(经费支持)与设备,与科技发达国家相比,我国在科学大装置方面存在明显的短板,亟需改善。其次,我国在大科学装置建设的模式选择中存在明显的低效甚至无效的安排模式。这种低效模式主要体现在“牵头人+合作单位”的建设模式,尤其是那些建设周期长、投资大的大科学装置项目,仅凭牵头人的组织协调能力根本无法保证完成项目任务。我们不妨看看科技部的重大仪器专项的实施过程,以2017的重大仪器专项为例,当年计划支持50个研究方向,经费投入7亿元,建设理念是:仪器原理验证—关键技术研发 (软硬件)—系统集成—应用示范—产业化的国家科学仪器开发链条,实现产学研用的融合。理想很丰满,现实很骨感,我们不知道本着这套理念运行的仪器专项到底有多少合格的仪器被制造出来了?基于这个现实,笔者认为,对于那些超级大科学装置必须由国家牵头,解决管理中组织协调能力不足的困境,而且,这也是我国比较习惯的举国体制的具体运用。对于那些特殊的、中型的科学装置建设,必须采用新的管理模式,否则无法避免停留在讲故事阶段的现实,毕竟科学装置的建设是一项系统工程,它要求每个环节都要尽量达到最优,然后才有可能使整个系统最优,而这些并非一蹴而就。

大科学装置的建设会带动相关产业与技术的发展,一旦能够有序运转起来,其溢出效应和辐射效应也是非常广泛的,并能产生巨大的经济与社会效益,如2020年全球医疗器械公司100强名单中排名第一的美敦力年销售额达到289亿美元,最后一名的销售额也达到了1.5亿美元。遗憾的是百强公司中没有一家中国公司,由是观之,中国的大科学装置与仪器建设还有很长的路要走。

参考文献:

1.沈律:《小科学,大科学,超大科学——对科技发展三大模式及其增长规律的比较分析》,《中国科技论坛》,2021年第6期,第149-160页。

2.李建明、曾华锋:《“大科学工程”的语义结构分析》,《科学学研究》,2011年第11期, 第1607-1612页。

3、14.西桂权、付宏、刘光宇:《中国大科学装置发展现状及国外经验借鉴》,科技导报,2020年第11期,第6-15页。

4.引力波参考资料引力波(物理概念)_百度百科 (baidu.com)

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8.迈克尔逊-莫雷实验_百度百科 (baidu.com)

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12.鄢盛丰、蔡一夫:《宇宙环境新认知——有关2019年度诺贝尔物理学奖的理解》,《科学通报》,2019年第36期,第3793-3797页。

13.R.K.默顿著:《科学社会学》(下),鲁旭东 林聚任译,北京:商务印书馆,2017年版,第490-495页。

15.李侠、缪秋民、吕慧云:《重大科研仪器研发的现状与困境》,《创新》,2018年第1期,12(01):第61-72页。


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(谷昭逸为上海交通大学科学史与科学文化研究院硕士研究生,李侠为上海交通大学科学史与科学文化研究院

教授。本研究得到国家社科基金重大项目“大数据环境下信息价值开发的伦理约束机制研究”的资助,编号

【17ZDA023】,特此致谢)

【博主跋】这篇文章是今年三、四月份间写成的,现发在《民主与科学》2022(3)上,与尚老师合作愉快,

是为记!

说明:文中图片就是最近大火的韦布天文望远镜,以及它带来的最新照片,没有任何商业目的,仅供欣赏,特此致谢。

2022-8-9于南方临屏涂鸦



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