“太极”与“天琴”：中国引力波计划

除了预算1亿元的“阿里实验计划”，中国目前还有中国科学院的“太极计划”和中山大学的“天琴计划”两大引力波探测计划，因为二者都是空间探测项目，所以预算巨大，都超过上百亿元。

据“太极计划”首席科学家、中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士回忆，2008年，中科院基础局找到一笔资金，专门用来布置一些前沿科学，做当时看起来还不太受重视但未来有可能产生重大影响的课题，其中就包括引力波探测。很快，科学院空间引力波探测工作组成立，靳刚、康琦、刘润球、罗俊、聂玉昕、魏志义、燕琳、詹明生、张晓敏、张永维、张元仲等专家都是论证组成员。其中，罗俊即如今的中山大学校长，其领衔的“天琴计划”于2014年发起，在LIGO成果出来之后也受到瞩目。

为了给这个项目起一个好记的名字，工作组把它叫作“太极”。中科院大学副校长、吴岳良院士介绍，按照中国的宇宙观，万物始于“太极”，探测引力波就是研究宇宙万物的起源，而太极的图形与双黑洞形象很相似，于是“太极计划”就此得名。照初步规划，太极计划将于2033年前后发射中国的引力波探测卫星组，进行低频引力波探测。“太极计划”首席科学家胡文瑞表示，上述方案将在今年底上报审批。

“太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案。方案一是参加欧洲空间局的LISA双边合作计划，通过贡献20%的装置加入LISA。方案二是发射3颗中国的引力波探测卫星组，与LISA计划于2035年左右发射的卫星组同时遨游太空，各自独立进行引力波探测，两组卫星互相补充和检验测量结果。

按照欧空局规定，所有重大项目的参与方需要投入20%。第一个方案中，欧空局投入经费为10亿欧元，所以中方需要出资2亿欧元。第二个方案中，又有两个规划，一个规划是中欧双方各出资10亿欧元，形成两组独立的卫星组，各采用两路激光干涉。另一规划是中国发射的3颗卫星组，采用双向激光干涉，共六路激光两两干涉，可直接相互检验测量结果。

在探测引力波的卫星计划方面，欧洲已经开展了近30年的研究。1993年，欧空局首先提出激光干涉空间天线（LISA）计划，进行空间引力波测量。在最初的设计中，该天线阵列由在太阳轨道上的三个探测器组成，三个探测器之间的距离500万公里，采用双向激光干涉，共六路激光干涉。后来受经费的限制，修改了方案，三个探测器之间采用两路激光干涉，同时该计划更名为eLISA，已被欧空局正式列入L3计划。2015年底，欧空局发射了关键技术验证卫星LISA探路者（LISA-Pathfinder）。

据吴岳良介绍，2013年中国和欧空局的双边备忘录并没有具体说明如何合作，到2015年的备忘录就商讨了具体参与事项，比如中国如何参与，一些仪器设备基本达到要求。“中国在局部技术上已达到欧洲空间局的水平，但至于自主研发的引力波探测卫星还有很大的差距。”

“究竟选哪一个计划，要看国家的论证和投入，不论哪一个计划都要进行国际合作。”吴岳良说。在他眼里，这么多年来，太极计划遇到的最大困难在于没有吸引到人才。“国家没有投资立项，就对年轻人的吸引力很弱，队伍很难扩大。现在科学家已经找到引力波，如果国家有意愿支持，推动科学本身进步的同时，也会推动技术的发展。”

至于为什么要到天上去找引力波，吴岳良说：“基于地面的引力波探测实验装置，受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响，无法探测低于10赫兹的引力波，研究目标较为有限。所以，多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。”

天琴计划也将发射6颗卫星，和太极计划有所不同的是，天琴计划发射的卫星轨道围绕地球旋转，太极计划的卫星轨道围绕太阳旋转。除此之外，二者的科学目标也有所不同，但都针对中低频段的引力波。

“太极计划的卫星组处于太阳同步轨道。研究表明，这个轨道上的卫星组在相距300万～500万公里时，探测到的引力波是一个具有独特波段的引力波，是其他实验所不能观测的波段，可帮助我们理解中等和大质量黑洞的结构和形成以及它们如何成长为超大黑洞的过程，因通常认为星系的中心是一个中等和大质量的黑洞。”吴岳良说，“高精度的实验还可测量对爱因斯坦广义相对论的修正，探测超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论。另外，结合微波背景辐射的测量，引力波成为探测早期宇宙的重要手段。”

太极、LISA、LIGO，地面的、天上的——引力波探测为什么需要这么多不同的手段？

苏萌有一个说法，即引力波的频率很宽，就好像声乐中分低音、中音、中高音和高音。针对不同频率，科学家采取了不同的探测手段，科学目标也不尽相同。

类似LIGO这样的地面探测计划，倾听的是宇宙乐章的高音，频率是几十到几千赫兹，而LISA、“太极计划”、“天琴计划”等太空探测计划，倾听的则是宇宙乐章的中低音，频率是十万分之一到1赫兹，相比前者要低很多。频率越低，波段越长，探测到的内容相对越丰富，实际科学价值越大，这也是为何胡文瑞称其为引力波研究的“主乐章”。

“如果说引力波是一场宇宙交响曲，那么LIGO的成果只是一个序曲。”胡文瑞进一步表示，LIGO项目的成功需要中国科学界的反思，“美国基金委员会能在2011年噪声全覆盖还未探测成功的情况下，仍然投入了4亿美元，这个决心是中国科研的差距。”