吴岳良院士专访:从引力波谈我国基础科学研究

  • 文字根据视频整理 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2019-09-25
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  编者按:

  “思想者”是一个基于中科院百人学者论坛的思想交流平台,通过对科学家的深入采访,展现他们对社会、自然科学等各个方面的独到见解,从而达到启迪大众智慧,传播科学知识的目的。本期受访嘉宾为我国著名理论物理学家、中国科学院大学副校长吴岳良院士,他主要从事粒子物理和引力量子场论研究并做出独创性工作。

  吴岳良院士最关心的当今科学问题是什么?2016年LIGO合作组直接探测到引力波后,我国在此研究方向有何计划,面临哪些机遇和挑战?空间引力波探测又有何重要意义?我国基础科学研究方面未来有没有可能做出原创性贡献?带着这些问题,让我们跟随采访人,中国科学院大学乔从丰教授一起走进今天的“思想者”,观看、聆听吴岳良院士的精彩访谈吧。

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  乔从丰:吴校长,很高兴您能接受我的采访,我想首先问您一个问题,您是年富力强的理论物理学家,那您现在最关心最关注的科学问题是什么?

  吴岳良:我最关注的科学问题是从极小的微观世界到极大的宇观世界,这就涉及到宇宙起源和演化、物质的起源和结构。我们知道Higgs粒子(也称上帝粒子)的发现,表明我们在描述微观世界粒子物理的标准模型有一个完整的认识,这里面所有的61种基本粒子都找到了。现在还没有找到引力子,引力是和我们宇观世界有关的。在宇观世界中,我们还有很多问题都没有认识清楚,特别是和引力有关的,例如暗物质、暗能量、黑洞的结构、宇宙早期的暴涨等等。这些都是和引力效应有关的基本的科学问题,可是到目前为止,我们都不清楚。它们占了宇宙组分的95%以上,而我们认识的微观基本粒子占整个宇宙的5%不到。但是宇宙早期是极高温、极高能量的状态,宇宙充满了基本粒子,所以从这个意义上,极大的宇宙和极小的微观世界是有关的,也就是宇宙的起源。我们要想了解宇宙的现在和将来必须认识宇宙早期起源。在宇宙早期引力非常的强,因为整个宇宙处于极高温、极高能和极小的范围之内,所以那时的量子效应很强,可是量子引力目前我们并不清楚。在这个意义上,我们必须把我们知道的三种相互作用(电磁、弱、强)和引力统一起来。可是我们知道引力(爱因斯坦广义相对论)用几何来描述,其他三种作用力由物质的基本属性描述,他们之间存在很大的障碍。我们必须要扫除障碍,用一个统一的理论来描述基本的理论。在微观物质深层结构方面,我们还不清楚下一个物理能标是什么、物质还有没有更深层次的结构。在整个宇宙演化中,我们还有一个基本物理问题,也就是近来大家讨论的,我们看到的物质世界处于四维时空,可是在有些理论中,我们要预言更高维的时空。存不存在更高维的时空等等,包括质子是不是稳定的(在一些统一理论中,质子是不稳定的,可是构成我们生命和所有的基本物质都是由质子组成的),质子的寿命是多少等等,这些都是我们不清楚的,需要我们去探索和研究。

  乔从丰:我们知道2016年,美国LIGO实验室,第一次直接观测到引力波,在社会上引起很大的反响,我国科学家对此也非常关注,甚至我们国家一些管理机构也对这方面研究感兴趣,那么您对这方面有什么考虑?

  吴岳良:我们刚才讲过,在我们预言的基本粒子中,标准模型中的61种基本粒子都找到了,唯一引力子没有找到。虽然我们没有找到单个引力子,但是我们相信引力波是由引力子组成的。所以引力波的发现,一方面验证了广义相对论,另一方面也激发我们探索发现引力子、量子引力。我们国家已经有了部署,特别是中国科学院有空间引力波太极计划,目前进展很顺利,在各个关键技术都有很大的进展。空间引力波探测和地面探测原理是一样的,但是涉及的关键技术是很不一样的。我们的空间引力波太极计划由三颗卫星组成,每颗卫星之间有300万公里,其探测精度和探测技术都是前所未有的。这方面我们还正在攻关,希望得到国家更多的支持。事实上我们国家各个部门都很重视,特别是中科院,2010年,白院长专门组织了四到五次专门会议来布置引力波探测,中央领导也对引力波探测的基础研究和关键技术非常重视,也有批示精神。所以我们国家正处于一个重要的时机,前不久,政府也出台了关于以我们为主的、国际性的大科学装置的文件,这在我们引力波研究中尤其重要。另外基础研究需要很长的积累,例如欧洲核子对撞机从80年代就开始谋划,在本世纪初运行,最终找到Higgs粒子。而2016年发现的引力波,实际上LIGO也研究了40多年。我们国家现在已有前面改革开放40年的基础,包括人才储备、基础设施建设,特别是中科院很多大科学装置,已经有了很好的基础。之前我们提到的很多基础物理,原则上我们和国外的科学家在同一起跑线上,大家都在未知中探索,这给了我们一个很好的机会。尤其我们现在处于一个新的时代,我们正好可以用来谋划基础研究,特别是需要长期积累、长期研究的大科学项目。而引力波探测,特别是太极计划的探测正适合这样一个新时代的部署。

  乔从丰:我们知道LIGO是第一次探测到引力波,它是一个地面探测装置,很重要,主要的三个负责人也得了诺贝尔奖。基础研究历来都是以欧美人为主导,我们国家通常是跟跑,那么在这次在空间引力波探测方面,欧美也肯定有部署,我们国家也面临着国际上的竞争。在这种情况下,您有什么信心,中国科学院会比别人做的好,或者是能够并跑?

  吴岳良:这是一个大家比较关注的问题。之前我讲过,我们有一个天时、地利、人和的环境,天时有国家政策的支持,有各个部门、国家领导的重视,并且我们处在这样一个新时代,中国的经济发展也允许我们开展大型项目的研究。

  乔从丰:就是我们制度的优势。

  吴岳良:对。另一方面,我们刚才讲过,空间引力波探测涉及到的关键技术的各个方面、各个学科的,有物理、天文、空间、激光、精确测量等等。中科院在这方面就有了优势,我们中科院有一百多个研究所,涉及到基础研究方面的各个领域。如果能够集中科院的优势,把关键技术集中起来,我们还是有信心和国际上一起带动这个项目。当然,国外的空间引力波探测从上世纪90年代就已经开始研究部署,但是我们有国家政策,我们有集中力量做大事的优势,特别是中科院,作为国家队,集中那么多的研究所,涉及到的关键技术,在各个研究所中都有基础。如果我们能够强强联合,至少能够跟国际上共跑。

  乔从丰:能不能请您再说一下,不少人有这种疑问,既然地面上已经测到了引力波,为什么还要搞空间引力波,它的重要性在哪里?

  吴岳良:这是一个很好的问题,但是对于我们科学家而言,这不应该成为一个问题。地面上探测到的引力波当然很重要,这是我们第一次发现引力波。如果在空间发现引力波,也可以说是空间的第一次,他们的探测频段是不一样的。而不同频段的引力波反映的是不同天体的变化的不同尺度。空间引力波探测可以探测的更深更远,它可以探测到大质量黑洞和中等质量黑洞的合并,它甚至可以探测到地面上没有看到,用电磁相互作用看不到的宇宙组成部分,这对于帮助我们认知宇宙是非常重要的。并且我们必须要掌握引力波探测技术。我们知道电磁波1888年就发现了,目前的科学探测技术都是基于电磁波和电磁相互作用。引力波和引力相互作用作为一个新的探测手段,我们必须掌握。一方面从认知宇宙角度,另一方面从探测技术和控制引力波、认识引力波,我们都必须做这件事情。

  乔从丰:我再问最后一个问题,前一段时间在网上流传比较多的一个话题,就是过去500年,中国在科学技术方面的贡献非常少,不管他的分析对不对,过去500年中国的科学技术确实不够发达。现在我们走入了新时代,我们国家的国力已经很强了,在基础科学方面,我们是不是可以做出重大的、原创的贡献?

  吴岳良:我觉得完全可能。因为我刚才讲的那些基本的科学问题到目前为止都是人类不知道的,在这种情况下我们和国外是同步的。再加上我们国家现在经济的发展,和前面40年改革开放打下的基础,我相信在这些方面完全可以和国际上并跑并且领跑。其实在历史上很多方面我们中国人还是起了引领的作用,就说四大发明,如果深入思考,这些发明在整个的世界历史上起了非常重要的作用,当然不可否认的,我们在基础研究还要加强重视。在中国历史上,在技术上的重视程度还是很多的,但是在基础研究上,原创的,自然规律发现方面我们必须重视。实际上现在国家很重视,下面就是如何来落实。落实包括两方面,一方面是在我们的管理机构,另一方面是我们科学家、科学共同体本身要有一个共识去促进推进基础科学的发展。

 

责任编辑:杨慧娴