觀察：引力波之外還將有哪些爆炸性的發現

儘管證實引力波的消息已經公布兩周，但面對這個世紀科學成果，人類社會所表現出的興奮和熱情並未因時間的流逝而有絲毫的消退，不管是科學的、非科學的，稍能和引力波沾上點邊的話題不約而同紛至沓來。科學家也趁著這波熱潮，把自家的研究曬出來做起科普，以期贏得公眾的認可和理解。

事實上，早在3年前，中國科學家就曾預言過引力波近期將被發現：「今後10年，引力波實驗有可能取得突破性進展，引力波天文台有可能率先探測到來自雙中子星系統的引力波。」這句話收錄在中科院2013年出版的一份名為《科技發展新態勢與面向2020年的戰略選擇》（以下稱2020報告）的報告之中。

這份報告的編寫組成員之一，中國科學院高能物理所研究員張雙南從2008年開始參與中國引力波研究計劃，他說，引力波早已成了他過去8年里頻頻「接觸」的研究對象。2月16日，中科院正式對外披露空間太極計劃時，也提到該計劃早在2008年就已發起。

如今，再次翻開這份面向未來十年、至今來看仍具有很強前瞻性的報告，張雙南說，人們可能會驚訝地發現，除了引力波，未來等待人類發現、驗證和探索的，還有很多。

2月24日，在國務院新聞辦舉行的新聞發布會上，科技部部長萬鋼表示，基礎研究、前沿探索是一個國家提升原始創新能力的關鍵，我國將對面向未來的量子通訊、生命科學、幹細胞、環境保護等方面基礎研究進行重點支持，對一些面向未來的探索，包括物質科學、中微子探索、引力波探索等按照我們的國力給予相應的部署。

引力波之外，還將有哪些爆炸性的發現

比如，世界是由什麼構成的，物質是由什麼構成的？這些看似終極的問題，卻有望通過物理學家的努力得到一定的答案。

希格斯粒子，這種被認為是萬物質量產生源泉的「上帝粒子」，就是回答這兩個問題的關鍵所在。2012年7月，歐洲核子中心宣布大型強子對撞機實驗發現了一個類似希格斯粒子的新粒子，若它就是作為「標準模型」預言的希格斯粒子，那麼通過對其性質的研究，將使人類對微觀世界的認識提高到一個新的水平。當然，如果希格斯粒子不存在，人類過去50年的物理認知體系就存在漏洞，需要全新的理論來描述微觀世界。

此外，到目前，自然界並沒有觀察到反物質，但是宇宙起源於137億年前的大爆炸，按照基本粒子理論，應該產生的正物質和反物質是一樣多的。而中微子震蕩實驗將在未來十年有望加快破解「反物質消失之謎」。張雙南告訴記者，根據2020報告，這些問題都有望在未來十年得到突破性的進展。

另一個突破，有望在未知的宇宙空間得以實現，而抓手，就是暗物質，這個不發光、人類完全不知道的新物質，是超出現有粒子物理標準模型的全新粒子，對其研究有望真正破解宇宙起源的奧秘。2020報告提到，未來幾年內，人類將利用地面大型探測裝置及空間探測實驗，很可能探測到暗物質粒子並揭開暗物質之謎，而這，將成為21世紀人類最偉大的發現之一。

為人類所魂牽夢縈的地外生命，也有望得到突破性的探索。剛剛過去的2015年，美國人對火星的研究已經發現了存在大量地下水的證據和其他支持生命存在的跡象。2020報告也明確提到，目前正在開展和即將實施的若干國際探測計劃，有可能在不久的將來在地球系統以外發現生命和生命存在的證據。

這些帶著終極探索意味的領域，將迎來諸多實力雄厚組織的角逐。當歐空局的火星探測計劃打算要去火星表面兩米以下尋找水和生命的痕迹之時，美國航天局被稱作「下一代哈勃望遠鏡」的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST)將會以相當於哈勃望遠鏡100倍左右的觀察能力在2018年之前面世。

2020報告甚至勾勒出了一幅生動的宇宙圖景：在未來幾年裡，人類將首次實施對太陽的近距離觀測，美國旅行者號飛船將飛越日球層邊界。有關生命科學和人體科學、微重力科學、地球科學等多項研究將隨之展開。

中科院國家空間科學主任吳季在接受中國青年報記者採訪時表示，在空間觀測的研究中，大型精密儀器的研發正是各個國家相互合作和競爭的焦點。

當然，還有人類關於自我的探索。2010年，美國科學家實現人工合成支原體基因組，培育出由人造基因組控制、可自我複製的細菌細胞，人類首個「人造生命」實現了。2020報告則預言，「在未來十年，有望在人工設計併合成生物分子、生命線路、細胞器乃至真核細胞染色體等『人造生命』方面取得重大突破，在醫藥、能源、材料、農業、環境等方面展現潛力」。此外，在未來幾年裡，基於幹細胞的新生命繁衍方式也有望出現，屆時，人造精子和卵子也將得以實現——這既是新的生命繁衍方式的創造，也是對生命倫理的新挑戰。

人類前沿研究里的中國身影

這些重大的研究命題，就好比一座豐富的礦藏，擺在那裡，誰都能看得到，但如何挖掘，從哪裡入手，又需要什麼樣的工具、財力和人力等等，都需要思考、研究乃至戰略規劃。

正如張雙南所說，從來就不存在僅僅一個國家才會有的科學難題，就像他們常說的「一黑兩暗」——黑洞、暗物質、暗能量。這些科學命題探索從來都是世界性的，不分國界，但畢竟一國之力有限，每個個體的生命力也有限，有所為有所不為是一個必然選擇的結果。「不追求全面的領先，重點布局，在一些有特色的地方保持自己的優勢和力量。」在他看來，這是中國科學界面對世界共同的研究課題時，一直以來的心態。

比如關於中微子的研究，根據張雙南介紹，中國將會率先建立世界領先的中微子研究中心，這將是江門中微子實驗成功之後一個必然的結果。此前，大亞灣反應堆中微子實驗的成功，已經使中國進入了中微子研究的國家前列。而負責這一實驗的中科院高能物理所所長、中科院院士王貽芳也提到，江門中微子實驗瞄準的將是下一個熱點——確定中微子的質量順序。根據預期，江門中微子實驗基於2萬噸液閃探測器能夠有效地測量中微子的質量順序，並和國際上相應的加速器實驗形成競爭和互補的關係。

量子信息技術也將是中國人嶄露頭角的一個領域。根據2020報告，未來10年，量子通信可提供絕對安全的信息傳輸方式，量子計算、量子模擬領域也將產生重大突破。而剛剛過去的2015年國家科技獎頒獎大會，就把該年度國家自然科學獎一等獎這個自然科學領域的最高獎項，頒給了致力於量子信息技術研究的中國科大潘建偉團隊。

到國際上尋求合作

當然，在一些領域，尋求具有重大價值的「國際合作」項目，也成了中國人致力於前沿研究的一條路徑。

比如，致力於揭開宇宙「黑暗時期」之謎的「平方公里陣列射電望遠鏡項目」（英文簡稱SKA），是國際天文界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，接收面積達一平方公里，最終將建設上千面反射面天線和一百多萬個低頻天線。天文學家能夠利用它監測到天空全景圖和其中從未有過的細節。對於這樣的機會，中國科學家自然不願意錯過。

在接受中國青年報記者採訪時，國家天文台副台長薛隨建透露，在這個重大的國際科研項目中，中國有望佔到了10%份額的資金投入以及其他貢獻，比如在高頻陣的天線的研發方案的競爭中，中國方案就嶄露頭角最終勝出。

目前，SKA由澳大利亞、加拿大、中國、印度等10個國家共同參與研發，中國也成了SKA的創始國和正式成員國之一。在SKA對外發布的11個工作包中，中國參與了天線（DSH）、低頻孔徑陣列（LFAA）、中頻孔徑陣列（MFAA）等6個國際工作包聯盟的研發工作。

薛隨建預計，到2020年前後，SKA第一階段工程的陣列將開始觀測，若干年後，人類將有可能探測到宇宙暗紀結束、第一代天體形成將宇宙「點亮」的整個過程等等。

那麼，究竟哪些項目可以到國際上尋求合作？

吳季向記者透露，由中國科學家組成的科學委員，專門負責遴選我國參與的國際項目，其遴選標準主要出於三點考慮：其一是某個科學項目對於解決未來重大科學問題可能產生的突破性；其二是某個項目對未來整個世界學科發展可能帶來的影響力；其三是某個科學項目在未來幾年內技術上的可行性和兌現能力。當然，也會考慮中方在研究項目的參與度、貢獻度等。

按照這樣的標準，30米望遠鏡(TMT)，似乎是中國科學家必須要參加的一個項目。

TMT是被全世界科學家公認的，將會主宰未來數十年天文觀測領域的下一代地基巨型光學-紅外天文觀測設備。其30米口徑的集光面積是當前最大光學望遠鏡的十倍，空間解析度則比哈勃空間望遠鏡（HST）提高一個量級。

「毫無疑問，TMT將會在揭示暗物質和暗能量的本質、探測宇宙第一代天體、理解黑洞的形成與生長、描繪系外類地行星特徵和生命起源這些科學領域作出重大突破性發現。」說起TMT的未來，薛隨建難以掩飾作為一個天文科學家的激動之情，中國天文界的一個共識即是以實物貢獻的形式參與這一項目，關係到我國21世紀天文學發展的重大戰略決策，是本世紀一次不可錯過的機會。

然而，這條路走得卻並不順利。

有些項目很重要卻緣何尚未參與

TMT，這個由美國摩爾基金會私人投資2億美元給美國加州大學系統和加州理工學院啟動的項目，目前已經獲得了多國明確的建設資金投資。日本、印度和加拿大政府，分別於2013年、2014年和2015年宣布將投資TMT20%、10%和15%的資金份額。

而中國，由於沒有政府的系統投入，成為參與國中不確定性因素最大的國家。

「在TMT建成之時，如果我們拿不到10%的自主『觀測機時』，那麼，我們科學家這6年來所作的努力很可能就無從體現了。」作為TMT中國項目部總經理，薛隨建無論如何也沒有想到，如此重大的全球科學計劃，中國的加入之路會走得那麼曲折。

中國科學家加入TMT計劃，始於2009年。「這6年，跟得很緊」，薛隨建告訴記者，這幾年能堅持下來的一個重要動力就在於，他心裡知道，只要以適當的資金比例加入到TMT中，我國天文觀測研究可以從2～4米望遠鏡時代一下子飛躍到30米時代，就能夠與國際頂尖水平站在同一起跑線上競爭及發展。

但中國對於TMT的現狀卻是「有貢獻，沒投入」。TMT耗資按照10%份額的資金投入來看，即需要11～12億元，而如此巨大投入所產出的設備，卻放置在海外，這在我國大型科學基礎設施投資中是沒有過先例的。

事實上，中國也曾有過加入發現引力波的LIGO團隊的機會，最終擦肩而過，就因為經費難籌。據太極計劃首席科學家、中科院力學所胡文瑞院士回憶，經費問題致使中國放棄後，LIGO選擇了印度。如今印度和澳大利亞合作建立了LIGO地面測量站。

「如果說，當年美國在啟動引力波探測時，我們的人才隊伍還沒有完全成熟，那麼這一次，我們科技隊伍已經今非昔比，千萬不能再錯過了！」薛隨建說。

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