中国基础科学开始发力,「太极计划」到底有多牛?未来可期

在航天大会上,我国公布了「太极计划」的最新进展,这个计划总共包含三颗卫星,一颗已经在2019年的8月份升空,第二颗卫星预计在2024年升空,到2033年将完成三颗卫星的部署。

这个最新的消息看起来貌似没有什么?毕竟我们近年来发射卫星的频率非常高,卫星升空已经是常事了。

但是,这次的三颗卫星跟以往的任何一颗卫星都不同,它代表了中国在兼顾实用科学的基础上开始向基础科学领域发力。

在我看来「太极计划」比任何一次航天计划都具有更加深远的意义,它是我国所有理论物理学家最为乐意看到的一项科研任务。

因为从应用科学到基础科学的转变,意味着我国近百年来通过学习西方科学理论,发展自己的整体科技实力已经达到了一个相当不错的水平;

这也意味着别人已经没有啥东西可供我们学习的了,如果我们现在还是坐享其成,整天跟在别人屁股后面学习人家的理论,也不是长久之计,始终会受制于人。

所以我们要开始在基础科学理论上寻找属于自己的、以中国人的名字、项目命名的新的科学理论和发现。

你可能一直有这么一个疑问,为啥中国人很少能够摘得代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖呢?这并不是国人不聪明,而是一直以来,我们发展的方向都是实用科学;

就是将西方人研究发现的基础科学理论进行“变现”,服务于经济、民生的发展,例如在我国发射的众多卫星中,基本上都是在发展自己的航天科技,而不是研究科学理论。

这些应用科学是无法获得诺贝尔奖的,就算我们明天在火星登陆了,只能代表我国是个科技强国,并非科学强国。

所以令理论物理学家更为兴奋的是,我国加大对基础科学领域研究的投入,未来会有更多的诺贝尔奖在中国诞生。

说了这么多,相信你已经很想知道“太极计划”是干什么的?它到底牛在了哪里?

说白了,“太极计划”一点都不是实用,正是它的不实用才显示了它的伟大。因为它是在研究探测物理学的前沿:引力波。

引力波非常神秘,看不见、摸不着。而且十分微弱,它是一百年前有爱因斯坦的广义相对论预言出来的。

广义相对论为我们揭示了一个全新的时空观念以及新的、更为准确引力描述,引力并非是质量质量物体之间神秘的超距作用,而是能量对时空结构的扭曲。

通过这一点,爱因斯坦为我们预言了非常违反直觉的现象,包括光线弯曲、引力透镜效应、引力时间膨胀、宇宙的膨胀、以及类似于电磁辐射的引力辐射现象。

你看,电荷在电场中的速度(矢量)发生变化时就会发出电磁辐射,那么质量物体在引力场的速度发生变化时,也同样会发出引力辐射,类似于水面的涟漪。

这些引力辐射通过空间传播到地球的时候,我们应该就能探测到它的存在。不过,这件事说起来简单,做起来非常困难。

因为引力在四种基本力中是最弱的,它比电磁力弱了上万亿倍,所以引力波也是非常的微弱,像地球绕太阳运动这样的质量结构所产生的引力辐射(空间涟漪),我们是根本无法探测到的。

只用通过探测宇宙中那些大质量天体,例如黑洞的合并时间,他们往往在合并时会瞬间释放出数倍太阳质量的能量,只有这样的大事件我们才有可能探测到引力波的存在。

总的来说,这件事非常困难。你看,人家爱因斯坦上世纪就说了引力波的存在,但直到2015年9月14日NASA的地面引力波LIGO探测器才检测到了由36个太阳质量黑洞和29个太阳质量黑洞合并产生的引力波。

实验科学和理论科学相差的近一个世纪,这次的发现是人类首次观测到引力波,也验证了爱因斯坦的伟大。

就在2019年LIGO还检测到了85倍和66倍太阳质量黑洞在170亿光年外的合并时间,这次的合并瞬间释放了8倍太阳质量的能量,这些能量通过引力波的形式穿越空间达到了地球。

LIGO探测引力波的原理也非常简单(原理简单不代表做起来简单),它作为科学的实验仪器是一个两个臂长为4公里的大家伙。

我们知道引力波是空间的涟漪,就像是海洋中的波浪一样,当这些波浪通过LIGO的时候,它的两个4公里长的光路臂就会发生相对的收缩和伸展。

这样就会造成两条光路上的光线在发射和返回以后,在接收端产生的干涉条纹发生变化。就像上图中的那样。

不过LIGO它所能探测到的引力波的频率、波长是存在一个范围的,也就是说它的灵敏度有限,它所能探测到的引力波的频率大致等于臂长乘以反射次数除以光速。

所以说引力波探测器的所能探测到的频率跟它的臂长有相当大的关系,像LIGO这样的探测器只能探测到频率在毫米范围内的引力波。

这样的引力波频率非常高,说明它的能量应该非常大, 必须由大质量天体事件产生。

你可能会想,为什么我们不在地球上建造一个臂长更长的探测器呢?因为在地球上臂长太长的话,探测器的会受到地球表面曲率、地震噪音或板块构造的限制,甚至是地球上车辆经过时带来的振动都会影响探测器测量的数据。

所以为了探测到频率更低,更多质量较小天体产生的引力波,我们就必须规避以上因素的影响,很明显,地球表面已经不适合了。

而我国的“太极计划”,正是在把引力波探测器送上了太空,由三颗灵敏度非常高的卫星组成,它们在地球轨道上绕着太阳运行,呈现出等边三角形的布局,两两之间的距离为300万公里,这个臂展相当于LIGO的75万倍。

并且以宇宙安静的真空空间为背景可以排除地球上一些震动的影响。如果引力波经过这三颗卫星,它们之间的距离就会发生变化,从而造成激光干涉条纹产生变化。

我国科学家表示,太极计划所能达到的测量精度,灵敏程度是人类所能做到的极限水平。

那么我们为什么要探测引力波?它有什么用?

这个问题是关键,因为我们国人喜欢问一件东西有什么用?我们的文化里有很强的实用主义色彩,没有用的东西根本不感兴趣。

但是这种思想不适合搞科学,尤其是研究发现科学理论,追求真理本质,因为任何的科学理论在短期来看都是无用的。

爱因斯坦写出相对论的时候,他也说不出来他的理论到底有啥用?但是时至今日相对论在很多领域上都有很大的应用,导航卫星、医疗设备、甚至跟核武器都有关系。

欧几里得当年写出几何原本的时候,这完全就是无用的东西,求证那些几何图形有什么用?但是整个几何的发展,让人类在很早的时候就测出了地球的直径、并且进行了天文测距任务,让我们了解了宇宙的广阔,了解了河外星系的存在。

所以说,科学理论都不是眼前的利益,而是人类的长久之计。未来总有一天会“变现”的。

再来说为何要探测引力波?引力上的所有问题目前都是科学的前言,例如我们到现在都搞不懂引力的本质、以及相互作用的方式,还有为什么引力会如此之弱?

我们现在探测到了引力波,也就是探测到了引力以波的形式在表现,但是如果量子力学是正确的,那么它一定有粒子的性质,就是所谓的波粒二象性。

但是至今我们都没有发现它的粒子本质。所以在引力上有太多的未解之谜等待着我们去发现,只要突破其中任何一个问题,那都是具有跨时代的意义,科学又是一次革命。

在目前的很多理论科学的前沿,我国迎头赶上也是势在必行的,不仅在未来会让我们诞生出更多的诺贝尔奖级别的科学家,也能让我国成为世界科学的中心。

以上都是比较大问题,我们过的“太极计划”也许只是人类解开引力之谜的开始,也许并不能一步到位真的产生什么比较大的科学发现。

但是我国的“太极计划”会凭借自己更为灵敏的引力波探测,发现更多小质量黑洞的合并、中子星的合并事件,还有高度不对称的超新星也会产生引力波,合并的白矮星也会产生引力波。

由于之前LIGO的灵敏度非常低,并没有发现这些低能量的引力波。

因此“太极计划”未来会通过引力波对宇宙中的黑洞、中子星进行一次人口普查,知道它们的分布以及数量。

如果有幸能够检测到在大爆炸时期产生的空间涟漪、或者是由于空间膨胀产生的引力扰动,那么这就将会以一种全新的方式让我们了解宇宙的起源。

到时诺贝尔奖将是妥妥的!

虽然探测引力波并不是什么新奇的事,国外已经做了很多年,但这件事对于我国来说意义非凡,未来我们还会加大在基础科学上的投入,来增强我国的科学实力,而非科技实力。

我相信,在不远的未来,我们的教科书上将会不断的出现以中国人姓名命名的科学理论和实验发现。

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