未来那些引力波级的重大发现

 

　　事实上，早在3年前，中国科学家就曾预言过引力波近期将被发现：“今后10年，引力波实验有可能取得突破性进展，引力波天文台有可能率先探测到来自双中子星系统的引力波。”这句话收录在中科院2013年出版的一份名为《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》（以下称2020报告）的报告之中。

 

　　这份报告的编写组成员之一，中国科学院高能物理所研究员张双南从2008年开始参与中国引力波研究计划，他说，引力波早已成了他过去8年里频频“接触”的研究对象。2月16日，中科院正式对外披露空间太极计划时，也提到该计划早在2008年就已发起。

 

　　如今，再次翻开这份面向未来十年、至今来看仍具有很强前瞻性的报告，张双南说，人们可能会惊讶地发现，除了引力波，未来等待人类发现、验证和探索的，还有很多。

 

　　2月24日，在国务院新闻办举行的新闻发布会上，科技部部长万钢表示，基础研究、前沿探索是一个国家提升原始创新能力的关键，我国将对面向未来的量子通讯、生命科学、干细胞、环境保护等方面基础研究进行重点支持，对一些面向未来的探索，包括物质科学、中微子探索、引力波探索等按照我们的国力给予相应的部署。

 

 

　　比如，世界是由什么构成的，物质是由什么构成的？这些看似终极的问题，却有望通过物理学家的努力得到一定的答案。

 

　　希格斯粒子，这种被认为是万物质量产生源泉的“上帝粒子”，就是回答这两个问题的关键所在。2012年7月，欧洲核子中心宣布大型强子对撞机实验发现了一个类似希格斯粒子的新粒子，若它就是作为“标准模型”预言的希格斯粒子，那么通过对其性质的研究，将使人类对微观世界的认识提高到一个新的水平。当然，如果希格斯粒子不存在，人类过去50年的物理认知体系就存在漏洞，需要全新的理论来描述微观世界。

 

　　此外，到目前，自然界并没有观察到反物质，但是宇宙起源于137亿年前的大爆炸，按照基本粒子理论，应该产生的正物质和反物质是一样多的。而中微子震荡实验将在未来十年有望加快破解“反物质消失之谜”。张双南告诉记者，根据2020报告，这些问题都有望在未来十年得到突破性的进展。

 

　　另一个突破，有望在未知的宇宙空间得以实现，而抓手，就是暗物质，这个不发光、人类完全不知道的新物质，是超出现有粒子物理标准模型的全新粒子，对其研究有望真正破解宇宙起源的奥秘。2020报告提到，未来几年内，人类将利用地面大型探测装置及空间探测实验，很可能探测到暗物质粒子并揭开暗物质之谜，而这，将成为21世纪人类最伟大的发现之一。

 

　　为人类所魂牵梦萦的地外生命，也有望得到突破性的探索。刚刚过去的2015年，美国人对火星的研究已经发现了存在大量地下水的证据和其他支持生命存在的迹象。2020报告也明确提到，目前正在开展和即将实施的若干国际探测计划，有可能在不久的将来在地球系统以外发现生命和生命存在的证据。

 

　　这些带着终极探索意味的领域，将迎来诸多实力雄厚组织的角逐。当欧空局的火星探测计划打算要去火星表面两米以下寻找水和生命的痕迹之时，美国航天局被称作“下一代哈勃望远镜”的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）将会以相当于哈勃望远镜100倍左右的观察能力在2018年之前面世。

 

　　2020报告甚至勾勒出了一幅生动的宇宙图景：在未来几年里，人类将首次实施对太阳的近距离观测，美国旅行者号飞船将飞越日球层边界。有关生命科学和人体科学、微重力科学、地球科学等多项研究将随之展开。

 

　　中科院国家空间科学主任吴季在接受中国青年报记者采访时表示，在空间观测的研究中，大型精密仪器的研发正是各个国家相互合作和竞争的焦点。

 

　　当然，还有人类关于自我的探索。2010年，美国科学家实现人工合成支原体基因组，培育出由人造基因组控制、可自我复制的细菌细胞，人类首个“人造生命”实现了。2020报告则预言，“在未来十年，有望在人工设计并合成生物分子、生命线路、细胞器乃至真核细胞染色体等‘人造生命’方面取得重大突破，在医药、能源、材料、农业、环境等方面展现潜力”。此外，在未来几年里，基于干细胞的新生命繁衍方式也有望出现，届时，人造精子和卵子也将得以实现——这既是新的生命繁衍方式的创造，也是对生命伦理的新挑战。

 

　　人类前沿研究里的中国身影

 

　　这些重大的研究命题，就好比一座丰富的矿藏，摆在那里，谁都能看得到，但如何挖掘，从哪里入手，又需要什么样的工具、财力和人力等等，都需要思考、研究乃至战略规划。

 

　　正如张双南所说，从来就不存在仅仅一个国家才会有的科学难题，就像他们常说的“一黑两暗”——黑洞、暗物质、暗能量。这些科学命题探索从来都是世界性的，不分国界，但毕竟一国之力有限，每个个体的生命力也有限，有所为有所不为是一个必然选择的结果。“不追求全面的领先，重点布局，在一些有特色的地方保持自己的优势和力量。”在他看来，这是中国科学界面对世界共同的研究课题时，一直以来的心态。

 

　　比如关于中微子的研究，根据张双南介绍，中国将会率先建立世界领先的中微子研究中心，这将是江门中微子实验成功之后一个必然的结果。此前，大亚湾反应堆中微子实验的成功，已经使中国进入了中微子研究的国家前列。而负责这一实验的中科院高能物理所所长、中科院院士王贻芳也提到，江门中微子实验瞄准的将是下一个热点——确定中微子的质量顺序。根据预期，江门中微子实验基于2万吨液闪探测器能够有效地测量中微子的质量顺序，并和国际上相应的加速器实验形成竞争和互补的关系。

 

　　量子信息技术也将是中国人崭露头角的一个领域。根据2020报告，未来10年，量子通信可提供绝对安全的信息传输方式，量子计算、量子仿真领域也将产生重大突破。而刚刚过去的2015年国家科技奖颁奖大会，就把该年度国家自然科学奖一等奖这个自然科学领域的最高奖项，颁给了致力于量子信息技术研究的中国科大潘建伟团队。

 

 

　　当然，在一些领域，寻求具有重大价值的“国际合作”项目，也成了中国人致力于前沿研究的一条路径。

 

　　比如，致力于揭开宇宙“黑暗时期”之谜的“平方公里阵列射电望远镜项目”（英文简称SKA），是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜，接收面积达一平方公里，最终将建设上千面反射面天线和一百多万个低频天线。天文学家能够利用它监测到天空全景图和其中从未有过的细节。对于这样的机会，中国科学家自然不愿意错过。

 

　　在接受中国青年报记者采访时，国家天文台副台长薛随建透露，在这个重大的国际科研项目中，中国有望占到了10%份额的资金投入以及其他贡献，比如在高频阵的天线的研发方案的竞争中，中国方案就崭露头角最终胜出。

 

　　目前，SKA由澳大利亚、加拿大、中国、印度等10个国家共同参与研发，中国也成了SKA的创始国和正式成员国之一。在SKA对外发布的11个工作包中，中国参与了天线（DSH）、低频孔径阵列（LFAA）、中频孔径阵列（MFAA）等6个国际工作包联盟的研发工作。

 

　　薛随建预计，到2020年前后，SKA第一阶段工程的阵列将开始观测，若干年后，人类将有可能探测到宇宙暗纪结束、第一代天体形成将宇宙“点亮”的整个过程等等。

 

　　那么，究竟哪些项目可以到国际上寻求合作？

 

　　吴季向记者透露，由中国科学家组成的科学委员，专门负责遴选我国参与的国际项目，其遴选标准主要出于三点考虑：其一是某个科学项目对于解决未来重大科学问题可能产生的突破性；其二是某个项目对未来整个世界学科发展可能带来的影响力；其三是某个科学项目在未来几年内技术上的可行性和兑现能力。当然，也会考虑中方在研究项目的参与度、贡献度等。

 

　　按照这样的标准，30米望远镜（TMT），似乎是中国科学家必须要参加的一个项目。

 

　　TMT是被全世界科学家公认的，将会主宰未来数十年天文观测领域的下一代地基巨型光学-红外天文观测设备。其30米口径的集光面积是当前最大光学望远镜的十倍，空间分辨率则比哈勃空间望远镜（HST）提高一个量级。

 

　　“毫无疑问，TMT将会在揭示暗物质和暗能量的本质、探测宇宙第一代天体、理解黑洞的形成与生长、描绘系外类地行星特征和生命起源这些科学领域作出重大突破性发现。”说起TMT的未来，薛随建难以掩饰作为一个天文科学家的激动之情，中国天文界的一个共识即是以实物贡献的形式参与这一项目，关系到我国21世纪天文学发展的重大战略决策，是本世纪一次不可错过的机会。

 

　　然而，这条路走得却并不顺利。

 

 

　　TMT，这个由美国摩尔基金会私人投资2亿美元给美国加州大学系统和加州理工学院启动的项目，目前已经获得了多国明确的建设资金投资。日本、印度和加拿大政府，分别于2013年、2014年和2015年宣布将投资TMT20%、10%和15%的资金份额。

 

　　而中国，由于没有政府的系统投入，成为参与国中不确定性因素最大的国家。

 

　　“在TMT建成之时，如果我们拿不到10%的自主‘观测机时’，那么，我们科学家这6年来所作的努力很可能就无从体现了。”作为TMT中国项目部总经理，薛随建无论如何也没有想到，如此重大的全球科学计划，中国的加入之路会走得那么曲折。

 

　　中国科学家加入TMT计划，始于2009年。“这6年，跟得很紧”，薛随建告诉记者，这几年能坚持下来的一个重要动力就在于，他心里知道，只要以适当的资金比例加入到TMT中，我国天文观测研究可以从2~4米望远镜时代一下子飞跃到30米时代，就能够与国际顶尖水平站在同一起跑线上竞争及发展。

 

　　但中国对于TMT的现状却是“有贡献，没投入”。TMT耗资按照10%份额的资金投入来看，即需要11~12亿元，而如此巨大投入所产出的设备，却放置在海外，这在我国大型科学基础设施投资中是没有过先例的。

 

　　事实上，中国也曾有过加入发现引力波的LIGO团队的机会，最终擦肩而过，就因为经费难筹。据太极计划首席科学家、中科院力学所胡文瑞院士回忆，经费问题致使中国放弃后，LIGO选择了印度。如今印度和澳大利亚合作建立了LIGO地面测量站。

 

　　“如果说，当年美国在启动引力波探测时，我们的人才队伍还没有完全成熟，那么这一次，我们科技队伍已经今非昔比，千万不能再错过了！”薛随建说。