“太極”與“天琴”：中國引力波計劃

除了預算1億元的“阿里實驗計劃”，中國目前還有中國科學院的“太極計劃”和中山大學的“天琴計劃”兩大引力波探測計劃，因為二者都是空間探測項目，所以預算巨大，都超過上百億元。

據“太極計劃”首席科學家、中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士回憶，2008年，中科院基礎局找到一筆資金，專門用來布置一些前沿科學，做當時看起來還不太受重視但未來有可能產生重大影響的課題，其中就包括引力波探測。很快，科學院空間引力波探測工作組成立，靳剛、康琦、劉潤球、羅俊、聶玉昕、魏志義、燕琳、詹明生、張曉敏、張永維、張元仲等專家都是論證組成員。其中，羅俊即如今的中山大學校長，其領銜的“天琴計劃”于2014年發起，在LIGO成果出來之后也受到矚目。

為了給這個項目起一個好記的名字，工作組把它叫作“太極”。中科院大學副校長、吳岳良院士介紹，按照中國的宇宙觀，萬物始于“太極”，探測引力波就是研究宇宙萬物的起源，而太極的圖形與雙黑洞形象很相似，于是“太極計劃”就此得名。照初步規劃，太極計劃將于2033年前后發射中國的引力波探測衛星組，進行低頻引力波探測。“太極計劃”首席科學家胡文瑞表示，上述方案將在今年底上報審批。

“太極計劃”是一個中歐合作的國際合作計劃，目前有兩個方案。方案一是參加歐洲空間局的LISA雙邊合作計劃，通過貢獻20%的裝置加入LISA。方案二是發射3顆中國的引力波探測衛星組，與LISA計劃于2035年左右發射的衛星組同時遨游太空，各自獨立進行引力波探測，兩組衛星互相補充和檢驗測量結果。

按照歐空局規定，所有重大項目的參與方需要投入20%。第一個方案中，歐空局投入經費為10億歐元，所以中方需要出資2億歐元。第二個方案中，又有兩個規劃，一個規劃是中歐雙方各出資10億歐元，形成兩組獨立的衛星組，各采用兩路激光干涉。另一規劃是中國發射的3顆衛星組，采用雙向激光干涉，共六路激光兩兩干涉，可直接相互檢驗測量結果。

在探測引力波的衛星計劃方面，歐洲已經開展了近30年的研究。1993年，歐空局首先提出激光干涉空間天線（LISA）計劃，進行空間引力波測量。在最初的設計中，該天線陣列由在太陽軌道上的三個探測器組成，三個探測器之間的距離500萬公里，采用雙向激光干涉，共六路激光干涉。后來受經費的限制，修改了方案，三個探測器之間采用兩路激光干涉，同時該計劃更名為eLISA，已被歐空局正式列入L3計劃。2015年底，歐空局發射了關鍵技術驗證衛星LISA探路者（LISA-Pathfinder）。

據吳岳良介紹，2013年中國和歐空局的雙邊備忘錄并沒有具體說明如何合作，到2015年的備忘錄就商討了具體參與事項，比如中國如何參與，一些儀器設備基本達到要求。“中國在局部技術上已達到歐洲空間局的水平，但至于自主研發的引力波探測衛星還有很大的差距。”

“究竟選哪一個計劃，要看國家的論證和投入，不論哪一個計劃都要進行國際合作。”吳岳良說。在他眼里，這么多年來，太極計劃遇到的最大困難在于沒有吸引到人才。“國家沒有投資立項，就對年輕人的吸引力很弱，隊伍很難擴大。現在科學家已經找到引力波，如果國家有意愿支持，推動科學本身進步的同時，也會推動技術的發展。”

至于為什么要到天上去找引力波，吳岳良說：“基于地面的引力波探測實驗裝置，受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低于10赫茲的引力波，研究目標較為有限。所以，多國科學家都在加緊開展空間引力波探測的研究計劃。”

天琴計劃也將發射6顆衛星，和太極計劃有所不同的是，天琴計劃發射的衛星軌道圍繞地球旋轉，太極計劃的衛星軌道圍繞太陽旋轉。除此之外，二者的科學目標也有所不同，但都針對中低頻段的引力波。

“太極計劃的衛星組處于太陽同步軌道。研究表明，這個軌道上的衛星組在相距300萬～500萬公里時，探測到的引力波是一個具有獨特波段的引力波，是其他實驗所不能觀測的波段，可幫助我們理解中等和大質量黑洞的結構和形成以及它們如何成長為超大黑洞的過程，因通常認為星系的中心是一個中等和大質量的黑洞。”吳岳良說，“高精度的實驗還可測量對愛因斯坦廣義相對論的修正，探測超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論。另外，結合微波背景輻射的測量，引力波成為探測早期宇宙的重要手段。”

太極、LISA、LIGO，地面的、天上的——引力波探測為什么需要這么多不同的手段？

蘇萌有一個說法，即引力波的頻率很寬，就好像聲樂中分低音、中音、中高音和高音。針對不同頻率，科學家采取了不同的探測手段，科學目標也不盡相同。

類似LIGO這樣的地面探測計劃，傾聽的是宇宙樂章的高音，頻率是幾十到幾千赫茲，而LISA、“太極計劃”、“天琴計劃”等太空探測計劃，傾聽的則是宇宙樂章的中低音，頻率是十萬分之一到1赫茲，相比前者要低很多。頻率越低，波段越長，探測到的內容相對越豐富，實際科學價值越大，這也是為何胡文瑞稱其為引力波研究的“主樂章”。

“如果說引力波是一場宇宙交響曲，那么LIGO的成果只是一個序曲。”胡文瑞進一步表示，LIGO項目的成功需要中國科學界的反思，“美國基金委員會能在2011年噪聲全覆蓋還未探測成功的情況下，仍然投入了4億美元，這個決心是中國科研的差距。”