根据中国科学院制定和公开的“十三五”科学规划纲要，未来的5年，中国将重点在“宇宙演化”、“物质结构”、“生命起源”等基础性、前沿性科学领域取得突破性进展。通常说来，宇宙学和空间科学既有一致性的、等效性的解释，也有不一致的、非等效性的关联，可以将空间科学看成是“宇宙工程学”、“宇宙探测学”、“宇宙技术学”，它指的是以空间飞行器为探测的工具和平台，研究发生在日地、行星、甚至整个宇宙空间的天文、物理和化学、生物和智慧生命等自然现象及其运动规律的科学。中国科学院在2016年3月17日正式发布的空间科学规划研究报告中提出了23个空间科学计划，预计在2030前发射近20颗科学探测卫星，这些空间探测计划包括了“黑洞探针”、“天体号脉”、“火星探测”等，预计在“十三五”期间的空间科技经费的投入达到80亿元，与国经济总量的增长保持同步。为了研究物质和宇宙结构，中科院空间科学中心已于2015年12月17日成功发射了“悟空”号暗物质粒子探测卫星，这是中国空间科学计划的首发卫星，也是当今世界上观测能段的范围最宽、信号分辨率最高的暗物质粒子空间探测器。去年12月，中国科学院高能所对外宣布，将以中科院国家天文台设在西藏阿里的台址为依托，实施“阿里计划”，建设原初引力波观测站，力争在2018年完成“阿里一号”望远镜的架设。网民注意到马云的阿里巴巴集团在“阿里计划”实施之后不久，2017年1月22日，中国科学院国家天文台与阿里云正式成立“天文大数据联合研究中心”，阿里云将作为天文台云计算大数据领域唯一战略合作伙伴，共同推进天文学科研和科普教育工作。

“阿里计划”只是中国科学家开展多波段引力波探测的项目之一，除此之外，中科院和中山大学还制定了空间引力波探测的“太极计划”和“天琴计划”，其中“阿里计划”以地面观测台为基地，用以观测低频段的原初引力波，而另两项计划则以空间观测为依托，用以观测中低频段的引力波，“阿里计划”和“太极”、“天琴”计划的另一个不同在于引力波的波源，“阿里”的波源指向宇宙诞生的大爆炸事件，通过搜寻从137亿年前跨越整个宇宙，传播到地球的宇宙微波背景辐射，寻找其中的一种特殊偏振信号，称之为B模式。“太极”和“天琴”的波源指向宇宙中星系碰撞一类的天文事件，诸如：双黑洞、双中子星的碰撞和合并。“阿里计划”的投资少，建设周期短，已经付诸实施，而“太极”和“天琴”计划投资巨大，建设周期长，目前处于前期计划和评估中。那么，中国科学家为什么要花大力气，投入到多波段引力波的探测和研究活动中昵？分析其中的原因，总结今后引力波探测的成果时，估计可以写出几本、几十本的科研和科普书籍。其一：引力波物理学和天文学开创了宇宙学研究的新路径。传统的光学和射电天文学本质上属于电磁波天文学，天文学家利用从太空中接收的可见光和电磁信号来分析天体和微粒物质的结构和属性，包括中微子和引力波在内的“新天文学”和“新物理学”能给我们带来传统的光电天文学和物理学不能获取的天体信息，比如：“第一缕光”之前的早期和极早期宇宙，引力“黑体辐射”的黑洞，致密天体碰撞中释放的引力辐射。既然中国科学家将宇宙学视为“第一科学”，将其列为战略性的“先行先试”科学，那么多波段的引力波探测能够为中国科学家提供观测信息，以构建星系形成和演变的精确模型。

其二：提供验证广义相对论和暴涨理论的观测证据。爱因斯坦年轻时将牛顿的为万有引力和狭义相对论结合起来，创立了全新的引力场方程，预言了引力波的存在，他在年老时力求将相对论概念的引力和其它已知的基本力统一起来，他当时意识到在电磁场方程和引力场方程之间存在数学上的一致性，或者存在哲学概念上的“等效原理”，因为，麦克斯韦建立的电磁场方程描述了电磁场的分布、传播与电荷、电流的电磁场源之间的相互关系，而引力场方程的表达式与电磁场方程的有形式上的一致性，描述了引力场的分布与质量之间的相互关系，在“等效原理”的无意识启发下，爱因斯坦设想，应该有类似电磁波一样的引力波。爱因斯坦在100多年前预言的引力波在2015年得到了初步证实，LIGO国际合作团队在去年宣布了他们的这一发现。目前，寻找引力波存在的直接证据仍然是物理学和天文学家的主要使命，中国科学家没有、也不会在引力波的搜索和研究中缺失、“掉队”。20世纪初建立的广义相对论和量子力学都与爱因斯坦有关，但是，他没有在引力波物理学和量子力学领域走得更远，后来的量子物理学家成功地将量子理论和电磁学理论结合起来，将电动力学和量子论“整合”成一门全新的科学——量子电动力学，在电磁相互作用的认识上发生了质的飞跃，相当于完成了电磁场量子化的科学使命。根据哲学“等效原理”的类比思维，科学家自然联想到引力场量子化的可能，中年和晚年的爱因斯坦首先寻求引力和电磁力的统一，从中找到物理学统一理论的突破口，一些科学史家认为他首先发现了引力的量子化，但是，没有给出足够的证据。本作者认为从爱因斯坦初步建立的引力波物理学，从他晚年尝试建构的引力和电磁力的统一，这两条路径都通向了“引力量子化”、或“量子化引力”，这两种方法之间符合“等效原理”。发现引力波能够验证广义相对论，能够指向引力的量子化，而发现原初引力波能够验证暴涨理论，我们的宇宙在极早期发生了暴涨，暴涨理论是宇宙学家阿兰·古斯的一个假设，现在的物理和宇宙学家绝不怀疑验证“古斯假设”的必要，值得为原初引力波的发现去研制和构建顶尖的天文仪器，这也是实施“阿里计划”的科学意义所在。

其三，提供量子引力理论的观测证据。尽管爱因斯坦生前没有预言引力的量子行为，但是，我们从他初步建立的引力波物理学和他没有完成的科学遗产——物理学统一理论中，我们应该能够推断出“引力量子论”、或“量子引力论”，本作者甚至认为引力的量子化、或量子化的引力构成了爱因斯坦物理学体系中“最后一块拼图”，相比较而言，现在的新闻和科学媒体将他的引力波预测视为广义相对论“图画”中的最后一块拼图。引力量子化是目前理论物理学界一个“顶级”的热门课题，这是一个爱因斯坦生前没有完成的使命，也是一个“后爱因斯坦时代”的物理学家添加了很多元素，取得了诸多重要成果，但是没有彻底完成的重要课题。完成爱因斯坦没有完成的使命，这也许能够超越广义相对论的理论构架，带来一场物理学的变革，产生“新物理学”，就像发现了暗能量的解释能够产生“新物理学”一样。自从上个世纪的80年代以来，物理学家尝试了实现引力场量子化的各种方法，创立了各式各样的理论，就像一百位物理学家有一百种哲学学说一样，一百位物理学家可以有一百种物理理论。在极其纷繁复杂的量子引力理论中出现了几种占主导地位的，有代表性的理论，它们分别是圈量子引力、超弦理论和修正引力理论。霍金是“量子宇宙学”的创立者之一，不用说，从广义相对论到量子宇宙学，科学家和科普作家可以写出几本、几十本的书籍，也许科普世界下一部书的名称就叫《从相对论到量子论宇宙学》，在霍金这样的量子宇宙学家看来，在宇宙诞生的极早期，引力表现为量子化，而引力和物质粒子的量子行为表现得最为强烈，量子涨落的剧烈活动形成了后来宇宙的不均匀性和各向异性，量子世界微小的不均匀性和各向异性最终导致了物质和宇宙结构的形成，量子化的引力在宇宙的暴涨和膨胀中分布在整个的宇宙空间，在宇宙背景辐射中留下不可抹去的“样式”，量子的行为变得沉寂、“消沉”。

本作者只是在经济学“边际效用递减规律”的启发下，提出了宇宙哲学中的“量子效应递减规律”，本作者没有简单地提倡和传播科普知识，而是提出了一些“原理”性的科学认识，历史上的科学家提出了许多的自然科学原理，比如：万有引力定律和时空弯曲定律，我们为什么不能从哲学上总结几条“原理”昵？现在的量子引力论和量子宇宙学存在两方面的问题，一是检验的困难和困惑，圈量子理论和超弦理论在对引力的量子行为既有“等效性解释”，也有“非等效性解释”，或者说两者的理论模型既有一致性，也有不一致的地方，物理学家目前无法用大型强子对撞机来检验那一种量子化理论符合引力和其它粒子的量子行为。中国科学院理论物理所和高能物理所的科学家设想了两种检测的方法，一个是建构“引力波望远镜”，另一个则是开建浩大无比的大型强子对撞机工程，或者中国版的LHC，两种检测工具不一定获得“立竿见影”的效果，却可以打开通过科学真理的大门，严格地说来，科学家还没有发现检验圈量子理论和超弦理论的手段。两种引力量子化的理论停留在物理数学的验算中，很难和实际检验发生联系。二是理论的艰深和疑惑，尽管在广义相对论发表后的一百多年，一代又一代的物理学家沿着爱因斯坦开辟的足迹行走了很远，在弦理论和量子场论的两大领域取得了“遍地开花”的成果，呈现多元化、纵深化、交叉化的发展态势，我们时常能听到“爱因斯坦错了”，“超越爱因斯坦的理论”的声音，但是，既能符合广义相对论的描述，又能符合量子力学解释的“大综合理论”不是没有出现，就是出现后存在这样那样的缺陷，不能在物理学家之间形成一致的看法，有待于数学家和物理学家付出更大的努力。引力波和原初引力波的探测有助于为科学家提供“量子引力”和“量子宇宙”的观测和实验证据，尽管这些观测活动只是开始。中国科学家的尝试具有极高的科学价值，值得社会公众的赞扬和支持。

（邓如山[email protected]）

（WhyChinesescientistsdecidetodetectgravitationalwaves?）

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