“天琴计划”示意图

引力波也被称为“时空的涟漪”，1916年爱因斯坦基于广义相对论预言，剧烈的天体会带动周围的时空一起波动。此后百年间，科学家一直在寻找引力波的存在，直到2015年9月14日，两个遥远黑洞之间的碰撞而产生的引力波，被美国的LIGO探测器检测到。这一发现掀起了一场物理学界的全新变革，并轰动了整个世界。2017年的诺贝尔物理学奖，就授予LIGO探测器的发明者以及探测原理的提出者。

引力波和光波有很大的区别。打个比方，光波就像房子有人在走动，引力波就如同房子的架构自身在波动，当然这个波动非常小。在时空体系中，光波是其中的一种物质（电磁波）的运动，而引力波就是时空架构本身在波动。

引力波的发现，是的人类又多了一种天文观察方法。未来，人类可以利用电磁波、引力波、中微子、宇宙线等多种观测手段相结合进行天文研究，这开启了一个多信使天文学的时代。就好比人观察一头大象，过去我们只能用眼睛去看，现在我们多了观测手段，可以摸还可以闻，这样我们描述的大象就会更真实、准确。

中国引力波研究的两个方向

目前，我国的科学工作者也在积极推进引力波的研究。主要有两个方向：一是由中山大学领衔的“天琴计划”，一是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”。

“天琴计划”由中山大学校长、中国科学院院士罗俊主持，是去太空捕捉引力波。在距离地球约10万公里高的轨道上放三颗卫星，中间用激光联系起来。引力波过来时，一边空间会拉伸，一边空间会收缩，即使拉伸的距离只有皮米级（一个原子的大小），也能够被敏锐地测量出来。因为这个装置立体看像一个竖琴，而引力波是拨动琴弦的上帝之手，所以这个项目取名字叫“天琴”。

“阿里实验计划”由中国科学院紫金山天文台南极天文中心主任、首席科学家王力帆主持。宇宙大爆炸本身会产生引力波，称之为原初引力波。王力帆团队准备在西藏阿里地区造一个原初引力波的探测器，它实际是探测十分微弱的电磁信号，由于引力波会引起电磁信号上的一些特征。找到这些特征，去间接证明原初引力波。

喻家山底下的防空洞

在湖北武汉，华中科技大学的喻家山底下的防空洞里，罗俊院士和他的团队正在研发引力波探测装置。1983年，罗俊就来到这座防空洞里进行引力的研究实验。因为物体间的引力非常微弱，实验装置必须做得极为精确，否则设备的误差就会把引力信号掩盖掉。严苛的要求，让引力测量一个试验仅准备就要几年，当时罗俊除了吃饭睡觉，其他的时间都在实验室里。

1998年，罗俊发表了牛顿万有引力常数测试结果，测量精度达到世界先进水平。国外专家甚至把这座位于中国的防空洞誉为“世界引力的中心”。

对于罗俊来说，在这里坚守的岁月成了自己生命中的一部分。他依旧坚信，不管是引力测量还是引力波探测，基础科学除了能带动一个国家的人才和技术的进步外，本身对一个科学家来说也有着不可抗拒的吸引力。“人的天性有一个就是探索未知，越不清楚的地方越想去了解一下去知道。能把一件事做成世界上最好的结果，我很开心。”

“天琴计划”的特点

罗俊院士提出的“天琴计划”，是未来中国人探测引力波的关键技术之一。

“天琴计划”与美国的LIG O的区别在于：“天琴计划”的引力波探测会有光学辅助手段，确定引力波源在什么地方，通过天文观测已确定的双星系统，清楚它们的质量、方位、距离、相互之间绕行的轨道频率等。而LIGO是通过他们探测到的引力波信号反演推断存在两个黑洞的合并发生。但他们没另外的独立方式进行确认，如没有光学辅助手段确认，这种方式叫模型依赖。“天琴计划”的引力波探测有光学天文望远镜作为辅助手段对引力波源的存在进行确认。

“天琴计划”主要探测低频段引力波，LIG O探测高频段引力波。不同的频段是不同的窗口，就如同你推开不同的窗看到不同的风景，不同频段的引力波探测将看到不同的天文事件。高频段引力波是短时间的引力波，稍纵即逝，是大质量的天体非常剧烈运动才能产生，通常只有中子星或黑洞等天体相撞。这是宇宙中的极端事件。低频段引力波是一种连续波，是是两个星相隔较远绕行，持续长时间运动而产生的，反映出来的东西更多元更丰富。

美国宇航局(NASA)与欧空局(ESA)在2001-2011年间也合作开展类似“天琴计划”的LISA项目，计划发射三颗卫星形成臂长500万公里的等边三角形，在地球后方约0.5亿公里的地方跟随地球绕太阳运行。“天琴计划”和上述计划的区别在于“天琴”的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样能避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题，且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。

“天琴计划”的实施与意义

“天琴计划”的实施要15-20年的研究时间，大致分为四个步骤：

2016-2020年 完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括：新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等；

2021-2025年 完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机，并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含：超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪，以及进一步提高加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术；

2026-2030年 完成空间引力波探测关键技术，完成卫星载荷工程样机；

2031-2035年 进行卫星系统整机联调测试、系统组装，发射空间引力波探测卫星。

“天琴计划”不仅仅是基础研究，其发展起来的关键技术可用于很多领域，如精确测量地球重力场，使我们对地球有更加深刻的了解；了解水资源、矿产资源的分布与变化。再比如，“天琴计划”的关键技术就是精确测量距离，两颗星之间的距离，两个相差10万公里的卫星之间的距离变化，就算比一个原子小，也要测算出来。这种技术可广泛应用于精密测量领域。